Il segreto per un fotovoltaico più efficiente

Dalla Germania arrivano nuove conoscenze su uno dei materiali più promettenti nel campo dell’energia solare: il diseleniuro di indio rame gallio (CIGS). Ricercatori dell’Università Johannes Gutenberg di Magonza hanno infatti trovato il modo di incrementare l‘energia prodotta dai pannelli fotovoltaici a film sottile costruiti con questo tipo di materiale, formato da un puzzle di rame, indio, gallio, selenio e zolfo. La ricerca, pubblicata su Physical Review Letters, è frutto di un progetto finanziato dal Governo tedesco, con la partecipazione di IBM, Schott AG, l’Università di Jena e l’Helmholtz Center di Berlino.

Lo studio, condotto dal gruppo di Claudia Felser, ha portato alla risoluzione di due “misteri” dei pannelli solari CGIS, ovvero la discrepanza tra elaborazioni teoriche e rilevazioni empiriche in fatto di efficienza energetica, e la struttura del diseleniuro. Da un lato, infatti, i calcoli teorici prevedono che l’efficienza massima di questi pannelli possa arrivare al 30 per cento, mentre i pannelli prodotti finora si fermano al 20. Dall’altro, sempre secondo i modelli teorici, tale efficienza massima si dovrebbe ottenere con un rapporto indio/gallio di 30 a 70, mentre nella pratica accade esattamente il contrario (è il rapporto 70 a 30 a dare i risultati migliori).

Attraverso simulazioni al computer, il gruppo di ricerca ha scoperto che gli atomi di indio e gallio non sono distribuiti omogeneamente negli attuali pannelli CIGS. In particolare, i ricercatori hanno osservato, al di sotto della temperatura ambiente, indio e gallio sono completamente separati, mentre è solo a temperature elevate che il materiale diventa omogeneo. Lo studio sostiene dunque che sia proprio questa disomogeneità, finora ignorata, a provocare la discordanza tra teoria e pratica.

La non omogeneità del diseleniuro, secondo Felser, è in grado di spiegare non solo la ridotta efficienza dei pannelli CIGS, ma anche perché le migliori prestazioni si ottengono con maggiori quantità di indio. I materiali ricchi di questo elemento mostrano infatti una omogeneità superiore rispetto a quelli ricchi di gallio; conseguentemente, possiedono migliori proprietà ottiche ed elettroniche che si traducono in un’efficienza più elevata.

Oltre a fornire una risposta agli interrogativi legati ai pannelli CIGS, i calcoli del gruppo di ricerca suggeriscono che, per ottimizzare le proprietà, sia necessario produrre i pannelli a temperature il più elevate possibile, in modo da generare un composto indio/gallio molto omogeneo. Raffreddando il materiale rapidamente, poi, si dovrebbe preservare l’omogeneità ottenuta e quindi anche aumentare l’efficienza.

Riferimento: Phys. Rev. Lett. doi:10.1103/PhysRevLett.105.025702