In simulazioni ed esperimenti, i ricercatori dimostrano che l'introduzione di minuscole texture su nanoscala sulle superfici dei materiali nelle celle solari tandem perovskite/silicio può aumentare significativamente l'efficienza riducendo la quantità di energia luminosa che si perde a causa della riflessione. Un nuovo design nanotesturizzato può raggiungere un potenziale di efficienza di conversione di potenza superiore al 29%, che le simulazioni suggeriscono potrebbe essere ulteriormente migliorato con migliori tecniche di fabbricazione e testurizzazione aggiuntiva.
Philipp Tockhorn di Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) presenterà il lavoro al congresso virtuale OSA Advanced Photonics che si terrà il 29 luglio.
"Vi presentiamo celle solari tandem perovskite/silicio nanostrutturate che sono alla pari con le migliori celle presentate in questo campo altamente dinamico", ha affermato Tockhorn. I nostri risultati possono contribuire all'ulteriore sviluppo di celle solari tandem perovskite/silicio altamente efficienti e hanno il potenziale per ridurre ulteriormente il costo dell'elettricità solare”.
Le perovskiti sono materiali con una struttura cristallina simile a quella della perovskite minerale presente in natura. Questi materiali semiconduttori convertono la luce solare in energia in modo molto efficiente e sono stati un punto focale per lo sviluppo delle tecnologie di energia solare di prossima generazione. I pannelli solari odierni sono realizzati principalmente in silicio.
Per il nuovo lavoro, Tockhorn, Johannes Sutter e colleghi dei gruppi del Prof. Becker e del Prof. Albrecht di HZB hanno esaminato come l'introduzione della nanostrutturazione a varie interfacce influenzi le prestazioni delle celle solari tandem realizzate da una cella solare in perovskite su una cella solare in silicio. Per prima cosa hanno utilizzato una simulazione al computer per calcolare la corrente elettrica nelle sottocelle di perovskite e silicio (la densità di fotocorrente) quando lo strato di perovskite era completamente piatto, nanostrutturato (irregolare) solo sul fondo dove incontrava lo strato di silicio, o irregolare su entrambi e fondo. I dossi simulati erano alti circa 300 nm e separati da 750 nm. Mentre il design nanostrutturato unilaterale ha mostrato solo un leggero miglioramento delle prestazioni rispetto al design piatto nella simulazione, l'architettura completamente strutturata è stata calcolata per assorbire notevolmente più luce, aumentando la densità della fotocorrente di 0.7 mA/cm2 per sottocella.
Per esplorare ulteriormente come la nanostrutturazione influenzi le prestazioni delle celle solari, i ricercatori hanno quindi fabbricato diversi modelli di celle solari tandem perovskite/silicio: uno con uno strato di perovskite completamente piatto e uno con uno strato di perovskite che è piatto sulla parte superiore e irregolare sul fondo all'interfaccia per la cella solare al silicio. Hanno determinato che la nanotesturizzazione unilaterale ha già aumentato la luce assorbita e la corrente generata nello strato assorbente di silicio di 0.2-0.3 mA/cm².
“Sorprendentemente, le nanotessiture non solo migliorano l'assorbimento della luce, ma portano anche a un leggero miglioramento delle celle solari tandem elettronico qualità rispetto al riferimento planare in combinazione con migliori condizioni di elaborazione del film, ha detto Tockhorn.
I risultati suggeriscono una strada promettente per ulteriori miglioramenti, secondo i ricercatori HZB. Sulla base dei risultati della simulazione, i ricercatori prevedono che una cella solare in cui lo strato di perovskite è nanostrutturato sia nella parte superiore che in quella inferiore potrebbe aumentare ulteriormente le prestazioni e raggiungere un'efficienza di conversione dell'energia superiore al 30%.
"Un ulteriore sviluppo di questo approccio strutturato a doppia faccia è esistente e fattibile, ma richiederà miglioramenti nel processo di fabbricazione per aggiungere nanotesturizzazione al lato superiore dello strato di perovskite", ha affermato Tockhorn.
