Fotovoltaico di nuova generazione: queste celle solari in kesterite hanno raggiunto il 12,6% di efficienza

Il rame tendeva a spostarsi verso la superficie proprio nel momento meno opportuno, mentre il materiale cominciava a cristallizzare. I ricercatori dell’Università del New South Wales (UNSW), in Australia, hanno provato a tenerlo al suo posto modificando le prime fasi di fabbricazione. Ha funzionato: la loro cella solare in kesterite CZTS ha raggiunto un’efficienza del 12,6% e una tensione a circuito aperto di 852,8 millivolt. Il risultato certificato è leggermente inferiore, 12,36% e 846,7 mV, e colpisce uno dei problemi che da anni rallentano questo materiale: troppa energia persa per strada.

Lo studio, pubblicato su Nature Energy, riguarda una cella sperimentale grande meno di un quarto di centimetro quadrato. Siamo quindi parecchio lontani da un pannello da montare sul tetto. L’interesse sta nel modo in cui i ricercatori sono riusciti a intervenire sui difetti del materiale prima ancora che diventassero un problema dentro la cella.

La kesterite ha ottimi ingredienti, poi cominciano i guai

Il materiale si chiama Cu₂ZnSnS₄, o CZTS, ed è formato da rame, zinco, stagno e zolfo. Quattro elementi relativamente abbondanti che rendono la kesterite interessante per il fotovoltaico e soprattutto come possibile strato superiore nelle future celle tandem, dove due materiali con proprietà diverse vengono sovrapposti per catturare meglio differenti porzioni della luce solare. Il dispositivo realizzato dal gruppo dell’UNSW è inoltre privo di cadmio.

La kesterite, però, si porta dietro da tempo una debolezza piuttosto precisa: la tensione che riesce a produrre rimane troppo lontana dal valore teoricamente raggiungibile. Dentro il materiale si formano difetti che favoriscono la ricombinazione delle cariche, facendo perdere parte dell’energia prima che possa essere raccolta come elettricità. Nei precedenti dispositivi CZTS a banda larga certificati analizzati dagli autori, molti valori della tensione a circuito aperto restavano sotto i 750 mV.

I ricercatori sono andati a cercare il problema molto prima della misura finale, durante la formazione stessa della kesterite. Il materiale viene progettato con un ambiente povero di rame e ricco di zinco, favorevole alla formazione di difetti meno dannosi. Durante il trattamento termico, però, il rame è molto mobile e tende a diffondere verso l’esterno. Nascono così piccole regioni con una composizione diversa da quella prevista, proprio mentre si sta costruendo la struttura cristallina. In pratica, gli ingredienti erano quelli giusti. A complicare la ricetta era il fatto che uno di loro continuava a spostarsi nella pentola.

Per fermare il rame hanno cambiato la ricetta a metà

Il primo tentativo è stato quello di rafforzare il legame tra rame e zolfo usando solfuro di rame, Cu₂S, al posto del rame metallico durante la deposizione del precursore. Le analisi hanno confermato l’effetto cercato: il rame diventava più stabile, migrava meno e il materiale risultava più ordinato.

Solo che il problema cambiava indirizzo. Utilizzare il solfuro di rame durante tutto il processo aumentava la perdita di stagno nella successiva fase di solforazione, lasciando difetti e fori nell’assorbitore. Cella sistemata da una parte, rovinata dall’altra.

La soluzione è arrivata dividendo la deposizione in due tempi. All’inizio i ricercatori hanno continuato a usare rame metallico; soltanto negli ultimi minuti sono passati al Cu₂S. Così hanno limitato la perdita di stagno e, vicino alla superficie, bloccato abbastanza rame da impedirgli di alterare la chimica delle prime fasi di cristallizzazione.

Le misure successive mostrano cosa è cambiato dentro il materiale. Nel campione ottimizzato diminuiscono alcuni difetti profondi particolarmente dannosi e aumenta la quota di vacanze di rame più favorevoli: dal 11,9% al 14,4% rispetto all’insieme dei difetti analizzati. Si riducono anche le perdite dovute alla ricombinazione non radiativa e migliora la vita media dei portatori di carica. Piccoli cambiamenti microscopici, stavolta visibili anche sul voltmetro.

Perché gli 847 millivolt sono il dato da guardare

La cella migliore misurata dal gruppo ha raggiunto il 12,6% di efficienza, con una densità di corrente di corto circuito di 21,0 mA/cm², una tensione di 852,8 mV e un fattore di riempimento del 70,1%. La certificazione indipendente, effettuata attraverso un’apertura di 0,2021 cm², ha registrato il 12,36% e 846,7 mV; nell’articolo il valore viene arrotondato a 12,4% e 847 mV.

È soprattutto quel secondo numero a interessare gli autori. La tensione certificata equivale al 65,3% del limite radiativo di Shockley-Queisser calcolato per il materiale, mentre gran parte delle celle in kesterite a banda larga si colloca intorno al 60%. Il 12,6%, quindi, racconta soltanto una parte del lavoro: il risultato mostra che intervenire sulla chimica locale mentre il materiale sta nascendo può recuperare una quota della fototensione che la kesterite tende a perdere.

Il dispositivo ha mantenuto prestazioni stabili anche dopo 231 giorni di conservazione in un essiccatore riempito di azoto. È un dato interessante, con un limite piuttosto evidente: un contenitore con atmosfera controllata somiglia poco ai decenni di sole, umidità e sbalzi termici richiesti a un modulo fotovoltaico. Gli autori indicano infatti tra i prossimi passaggi test su celle incapsulate, cicli termici e prove in condizioni di caldo e umidità.

La cella dell’UNSW resta dunque un dispositivo di laboratorio e il 12,6% non annuncia pannelli in kesterite pronti a invadere i tetti. Ha però mostrato dove si perdeva una parte dell’energia e, soprattutto, come recuperarne un po’: tenendo sotto controllo il rame quando il cristallo sta ancora prendendo forma. Per una volta, far stare un ingrediente al suo posto è già un risultato.

Fonte: UNSW – Nature Energy