Celle solari a calcogenuri: la ricerca di UniGe per una maggiore efficienza

Pubblicato su Nature Communications uno studio internazionale interdisciplinare, condotto da 19 collaboratori afferenti a 8 diverse istituzioni, che ha consentito di rivelare i meccanismi fondamentali alla base della formazione di difetti all’interno del materiale assorbitore fotovoltaico, impiegato cioè per la conversione della luce solare in corrente elettrica.

Il lavoro è coordinato dal dott. Diego Colombara dell’Università di Genova – Dipartimento di Chimica e Chimica Industriale. Gli studi alla base di questa ricerca sono iniziati con la collaborazione tra il dott. Colombara e il dott. Hossam Elanzeery (ora presso l’azienda di pannelli fotovoltaici Avancis GmbH) quando entrambi afferivano all’Università del Lussemburgo (in team con la prof.ssa Susanne Siebentritt e il prof. Phillip Dale), per proseguire presso INL – International Iberian Nanotechnology Laboratory in concomitanza con la nomina del dott. Colombara a research fellow per il progetto europeo Marie Curie.

Colombara - celle a calcogenuri
Celle solari a calcogenuri

Grazie al loro ridotto spessore, i pannelli solari a calcogenuri consentono un risparmio notevole di materiali e di energia rispetto ai pannelli tradizionali a base di silicio, pur dimostrando una durabilità eccellente. Tuttavia, affinché la loro sostenibilità venga premiata appieno dal mercato dell’energia solare, ricercatori in tutto il mondo stanno lavorando alacremente per massimizzarne l’efficienza.

Il team di ricercatori coordinati dal dott. Colombara si è occupato di un aspetto complesso trascurato in bibliografia: gli effetti composizionali del materiale in prossimità dei confini di fase. Si è scoperto che, in tali condizioni, il materiale è chimicamente più prono a formare difetti dannosi per l’efficienza della cella, anche se in parte è possibile annichilire tali difetti una volta formati. La novità consiste nella comprensione che la reattività dei difetti puntuali naturalmente presenti nel materiale cresciuto in prossimità dei confini di fase è tale per cui i processi di ossidazione normalmente innocui possono portare alla concomitante formazione di vacanze anioniche, molto più dannose.

Diego Colombara
Diego Colombara

Le implicazioni future

Nel futuro prossimo, lo studio permetterà di stabilire nuovi protocolli per prevenire la formazione delle vacanze durante la crescita del materiale, consentendo dunque una maggiore efficienza di cella. Esistono però altri calcogenuri affetti da vacanze anioniche, come per esempio alcuni isolanti topologici (argomento del premio Nobel per la Fisica 2016), materiali dalle proprietà elettroniche idealmente non dissipative con applicazioni potenziali nei computer di futura generazione. Pertanto, lo studio ha implicazioni di più ampio respiro e vi è l’intenzione di estenderne i concetti acquisiti a tali sistemi in un futuro non troppo lontano.

Le conclusioni sono state raggiunte grazie a un'analisi poliedrica della questione, resa possibile dal team di competenze complementari estremamente specializzate: da microscopie avanzate come la tomografia atomica (c/o Max Planck Institut für Eisenforschung e la Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen) e la microscopia a forza di sonda Kelvin (c/o INL – International Iberian Nanotechnology Laboratory) a tecniche quali l’ammittanza, la fotoluminescenza e la spettroscopia a fotocorrente elettrochimica (c/o Università del Lussemburgo e Lawrence Berkeley National Laboratory).

La Scienza fa il suo lavoro

Il dott. Colombara è molto soddisfatto del risultato: “Dopo 11 anni di attività di ricerca all’estero, i miei primi lavori a Genova, seppure con finalità innovative, si legano saldamente alla tradizione dei diagrammi di fase per la quale il nostro Ateneo si contraddistingue a livello internazionale”.

Questo sforzo collettivo durato quattro anni conferma come la Scienza non abbia, come molti credono, soluzioni immediate ai problemi reali dell’umanità quali l’approvvigionamento energetico sostenibile. La Scienza fa il suo lavoro, spesso in silenzio e metodicamente, ma per farlo in maniera efficace ha bisogno di tanta collaborazione interdisciplinare, di tanto impegno e del supporto di tutti.


Oltre a Chemical instability at chalcogenide surfaces impacts chalcopyrite devices well beyond the surface (luglio 2020), sempre su Nature Communications e su Scientific Reports sono stati pubblicati dal dott. Colombara: Sodium enhances indium-gallium interdiffusion in copper indium gallium diselenide photovoltaic absorbers (febbraio 2018) e Deliberate and accidental gas-phase alkali doping of chalcogenide semiconductors: Cu(In,Ga)Se2 (febbraio 2017). Altri contributi pertinenti sono stati pubblicati su Physical Review MaterialsFrank-Turnbull dopant migration may enhance heteroatom diffusivity: Evidence from alkali-doped Cu(In,Ga)Se2 (maggio 2019) e, recentemente, su Journal of Materials Chemistry AThe fox and the hound: in-depth and in-grain Na doping and Ga grading in Cu(In,Ga)Se2 solar cells (marzo 2020).