Adattare le celle solari in kesterite alla produzione di energia in ambienti interni
Molte delle attuali tecnologie solari commerciali funzionano bene all’aperto, ma incontrano difficoltà negli ambienti interni: nonostante il calo generale che l’ha interessato di recente, infatti, il solare per interni può risultare comunque costoso, contenere materiali tossici e degradarsi spesso nel corso del tempo. Queste limitazioni rendono tuttora limitata la diffusione delle celle fotovoltaiche per interni (IPV, indoor photovoltaic), proprio quando sarebbe necessaria per alimentare il numero crescente di dispositivi che operano nella rete nota come Internet delle cose (IoT, Internet of Things). I materiali a base di kesterite offrono una soluzione promettente in tal senso, in quanto sono ampiamente disponibili, relativamente atossici e stabili; ciononostante, le kesteriti si trovano dinanzi ad alcune sfide da superare, dovute alle difficoltà intrinseche legate all’illuminazione interna. «La luce LED in ambienti interni è molto più debole rispetto alla luce solare e si concentra nella gamma del visibile, motivo per cui le kesteriti ottimizzate per l’uso all’aperto non sono ideali», spiega Edgardo Saucedo(si apre in una nuova finestra), ricercatore senior presso l’Università Politecnica della Catalogna(si apre in una nuova finestra) (UPC) – BarcelonaTech, nonché coordinatore del progetto LEKPV. «Il progetto LEKPV si è quindi proposto di personalizzare i materiali e i dispositivi a base di kesterite in modo specifico per la raccolta di energia in ambienti interni nell’ambito dell’IoT e dell’elettronica a bassa potenza.» Nell’ambito del progetto LEKPV, finanziato dal programma di azioni Marie Skłodowska-Curie(si apre in una nuova finestra), Saucedo e i suoi colleghi hanno combinato simulazioni avanzate con processi ecocompatibili e progettazioni innovative per le kesteriti con l’obiettivo di migliorarne l’efficienza e inaugurare una nuova ondata di tecnologie IPV. «Dato che le kesteriti possono essere prodotte mediante processi in soluzione a basso costo e scalabili e utilizzano elementi abbondanti, presentano un potenziale promettente per essere impiegate in future applicazioni su larga scala di raccolta di energia in ambienti interni», osserva Yuancai Gong, ricercatore post-dottorato presso l’UPC e scienziato a capo del progetto LEKPV.
Un’ingegneria mirata per la luce in ambienti interni
I ricercatori hanno combinato simulazioni avanzate dei dispositivi, la fabbricazione di assorbitori basati su soluzioni e un’ingegneria mirata dei dispositivi per comprendere e migliorare le celle solari in kesterite destinate alla raccolta della luce in ambienti interni. L’équipe ha eseguito simulazioni complesse per identificare l’intervallo di banda proibita più adatto e i principali meccanismi di perdita sotto illuminazione a LED. Inoltre, attraverso una serie di esperimenti, ha sviluppato un inchiostro molecolare e specifici processi di lavorazione in soluzione per rendere possibile il rivestimento delle superfici con «assorbitori» a base di kesterite. Il team ha quindi modificato la composizione chimica delle kesteriti, ad esempio aggiungendo leghe di germanio per migliorare le proprietà complessive dei materiali, e ha ottimizzato l’interfaccia degli assorbitori, ovvero il punto in cui lo strato che assorbe la luce incontra gli altri strati del dispositivo, per ottimizzare le prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione.
Un’efficienza ai vertici mondiali
Tra i risultati pubblicati, uno fondamentale è stato il raggiungimento di un’efficienza del 15,1 % da parte di una specifica cella solare a kesterite in ambiente interno, mentre i dispositivi in lega hanno dimostrato efficienze in ambienti interni fino a circa il 18 % in condizioni di illuminazione a LED. «Si tratta dell’efficienza più elevata registrata sino ad ora a livello mondiale per questa tecnologia», afferma Saucedo. «LEKPV ha dimostrato che le celle solari in kesterite rappresentano una tecnologia promettente per il fotovoltaico in ambienti interni, specialmente quando la loro banda proibita e le proprietà dei difetti sono ottimizzati per l’illuminazione a LED», osserva Saucedo. Sebbene la tecnologia non sia ancora pronta per un’immediata diffusione sul mercato, i risultati del progetto sono rilevanti in modo diretto per i sensori IoT autoalimentati, i dispositivi per edifici intelligenti e l’elettronica a basso consumo, settori in cui la sostituzione o la riduzione del numero di batterie usa e getta rappresenta un importante fattore trainante del mercato. Secondo quanto osservato da Saucedo, il progetto dimostra come l’IPV non debba limitarsi a riutilizzare materiali e concetti sviluppati per il solare da esterno. «La raccolta della luce in ambienti interni richiede una progettazione dei materiali dedicata, protocolli di test specifici e l’ottimizzazione dei dispositivi», aggiunge. «Alla luce di tali esigenze, la kesterite risulta particolarmente interessante».
Verso la convalida in ambienti reali
I ricercatori intendono migliorare ulteriormente l’efficienza, la riproducibilità e la stabilità operativa dei dispositivi passando da celle di piccola superficie a mini-moduli e prototipi dimostrativi. «Il lavoro futuro si concentrerà sul perfezionamento della composizione dell’assorbitore, sulla riduzione delle perdite legate ai difetti, sul miglioramento delle interfacce e sulla convalida dei dispositivi in ambienti interni reali», afferma Saucedo, che conclude: «Puntiamo inoltre a rafforzare la collaborazione con ricercatori e potenziali utenti finali nei settori dell’IPV, dell’IoT e delle applicazioni per edifici intelligenti, affinché i risultati scientifici possano avvicinarsi all’uso pratico».
