Celle solari a calcogenuri: svelati effetti di drogaggio ai bordi grano
Uno studio diretto dall'Università di Genova ha scoperto alcuni processi chiave che avvengono quando il materiale assorbitore di luce viene esposto dapprima all’aria e successivamente al vuoto, prima di completare il processo di fabbricazione dei dispositivi fotovoltaici.
Il team di lavoro ha rivelato i meccanismi attraverso i quali si previene l’ossidazione del materiale dei pannelli fotovoltaici che comporta una riduzione dell’efficienza delle celle.
Lo studio è stato pubblicato su Advanced Energy Materials una delle riviste più prestigiose del settore energetico.
Diego Colombara è autore di riferimento del lavoro che vede il coinvolgimento di 16 altri autori provenienti da 6 istituzioni straniere tra cui il Lawrence Berkeley National Laboratory della California e il National Renewable Energy Laboratory del Colorado.
Gli studi alla base di questa ricerca sono iniziati con l’osservazione sperimentale da parte di Nathalie Valle del Luxembourg Institute of Science and Technology nell’ambito del progetto GALDOCHS e si sono conclusi con il progetto EDICT finanziato da UniGe per mezzo dello schema Curiosity-Driven 2020, entrambi sotto la guida di Diego Colombara.
Celle solari a calcogenuri (CIGS)
Questo tipo di celle fotovoltaiche, descritte in precedenza, sono caratterizzate da uno strato di materiale assorbitore molto sottile, dell’ordine di un centesimo dello spessore di un capello. Questo strato è tipicamente policristallino, il che comporta la presenza di moltissimi difetti strutturali legati ai bordi di grano.
È noto da tempo che i bordi grano contengono un’alta concentrazione di droganti alcalini (in particolare sodio) che ne riducono gli effetti nefasti.
Il team di lavoro ha rivelato i meccanismi attraverso i quali il sodio presente ai bordi grano non solo catalizza l’incorporazione di ossigeno annichilendo difetti dannosi, ma previene l’ossidazione ulteriore del materiale che comporterebbe altrimenti una riduzione dell’efficienza delle celle.
Inoltre, ha potuto accertare che alcune delle reazioni chimiche coinvolte sono reversibili, aprendo nuove interessanti prospettive tecnologiche per questo tipo di dispositivi.
Le implicazioni future
Se l’esposizione all’aria del materiale assorbitore CIGS opportunamente drogato ha un noto effetto benefico, l’evidenza acquisita con questo studio suggerisce che è possibile massimizzare il beneficio stoccando il materiale in vuoto per tempi adeguati.
A causa della pandemia e delle differenti tempistiche di lock-down tra i paesi coinvolti, diversi tentativi iniziati per quantificare il beneficio ottenibile in termini di efficienza delle celle solari sono purtroppo (è proprio il caso di dire) andati a vuoto. Futuri approfondimenti e trasferimenti di conoscenza verso l’industria consentiranno di determinare il contenuto di ossigeno ottimale variando progressivamente le condizioni di processo.
Un lavoro di squadra
Oltre all’Università di Genova per il finanziamento del progetto Curiosity-driven, tutte le persone coinvolte nello studio, attraverso le specifiche competenze offerte, hanno reso possibile questo risultato importante. Tra le tecniche dispiegate figurano la deposizione fisica da vapori (c/o Université du Luxembourg) diverse versioni di imaging da spettrometria di massa a ioni secondari (c/o LIST – Luxembourg Institute of Science and Technology), l’imaging a catodoluminescenza (c/o National Renewable Energy Laboratory), la microscopia a forza di sonda Kelvin (c/o INL – International Iberian Nanotechnology Laboratory) e la spettroscopia fotoelettronica a raggi X (c/o Université de Versailles).
