Università australiana ottiene effetto fotovoltaico record con la Kesterite: poco costosa e non tossica

I ricercatori dell’Università del Nuovo Galles del Sud (UNSW) hanno battuto il record mondiale di efficienza delle celle solari in kesterite, considerata una promettente alternativa ai tradizionali pannelli solari a base di silicio. Un minerale naturale già presente in natura

Il team ha raggiunto “la migliore efficienza di sempre del 13,2% per le celle solari in kesterite ad alto bandgap, potenziate con l’idrogeno”.

La kesterite è un minerale naturale composto da rame, zinco, stagno e zolfo (CZTS). È da tempo riconosciuto per il suo potenziale nelle applicazioni delle celle solari.

Minerale di Kesterite

È abbondante, non tossico ed economico da produrre, se da ottenere artificialmente  il che lo rende un candidato interessante per la tecnologia solare di prossima generazione.

“I moduli di silicio hanno quasi raggiunto il limite della loro efficienza teorica, quindi stiamo cercando di rispondere alla domanda dell’industria fotovoltaica su come sarà fatta la prossima generazione di celle”, ha dichiarato il professore di Scientia Xiaojing Hao, che ha guidato il team di ricerca.

Superare le sfide della produzione di kesterite

I precedenti tentativi di sfruttare il pieno potenziale della kesterite sono stati ostacolati da difetti formatisi durante il processo di produzione.

“In parole povere, per creare il CZTS si prendono rame, stagno, zinco e zolfo e li si ‘cuoce’ insieme a una certa temperatura che li trasforma in un materiale utilizzabile come semiconduttore”, spiega l’autrice.“La parte difficile è controllare i difetti che vengono introdotti durante il processo. In questo lavoro abbiamo dimostrato che l’introduzione dell’idrogeno può garantire che i difetti abbiano un impatto minore, il che è noto come passivazione.

“Poiché l’idrogeno modula i difetti all’interno del CZTS, questo contribuisce ad aumentarne l’efficienza in termini di conversione della luce solare in elettricità”.

L’uso del CZTS potrebbe essere meglio implementato nelle cosiddette celle solari tandem, che combinano due o più celle solari per catturare e convertire una parte maggiore dello spettro solare in elettricità, migliorando l’efficienza complessiva.

La professoressa Hao si augura che la nuova scoperta acceleri le possibilità che le CZTS raggiungano un’efficienza del 15% entro il prossimo anno e ne prevede la commercializzazione entro il 2030.

“C’è ancora del lavoro da fare per trovare il modo di ridurre ulteriormente i difetti che troviamo nei CZTS, sia durante la fabbricazione che attraverso trattamenti successivi alla fabbricazione”, afferma la professoressa.

Questa tecnica, nota come passivazione, neutralizza efficacemente gli effetti dannosi dei difetti e consente alle celle solari in kesterite di convertire la luce solare in elettricità con un’efficienza notevolmente migliorata.

Il team di ricerca con la prima cella di nuova generazione

La scoperta si basa su sei anni di ricerca del team UNSW, che inizialmente aveva raggiunto un’efficienza dell’11,4% per le celle CZTS. Quando si è scoperta l’efficacia dell’attività di passivazione, si è riuscito a raggiungere un valore del 13,2%. Ora l’obiettivo è arrivare al 20%, che renderebbe queste celle economicamente valevoli.

“Il quadro generale è che, in ultima analisi, vogliamo rendere la produzione di elettricità più economica ed ecologica”, ha dichiarato il Prof. Hao.

“Il CZTS è un materiale ideale per le celle solari perché è ecologico, conveniente e presenta una stabilità a lungo termine”.
I risultati ottenuti dal team dell’UNSW hanno implicazioni significative per il futuro dell’energia solare.

Adatto alle celle solari tandem

Le celle solari in kesterite sono adatte all’uso in celle solari tandem, che combinano materiali diversi per catturare un più ampio spettro di luce solare e ottenere rendimenti più elevati.

Il team è ottimista sul fatto che questa scoperta aprirà la strada alla commercializzazione delle celle solari in kesterite entro il 2030.

“C’è ancora del lavoro da fare per trovare il modo di ridurre ulteriormente i difetti che troviamo nella CZTS, sia durante la fabbricazione che attraverso trattamenti successivi alla fabbricazione”, ha riconosciuto il Prof. Hao.

“Ma sappiamo che si tratta di un buon materiale. Se consideriamo i requisiti dal basso verso l’alto, sappiamo che abbiamo bisogno di qualcosa che sia ampiamente abbondante, che sia rispettoso dell’ambiente, che abbia buone proprietà optoelettroniche e che possa durare a lungo – e il CZTS fa al caso nostro”.

La kesterite offre una soluzione sostenibile

Il team intende esplorare materiali alternativi per le celle solari, tra cui la perovskite.
Sebbene la perovskite vanti rendimenti più elevati, soffre di problemi di stabilità e di tossicità, essendo un composto che, nella sua forma base, contiene piombo. La kesterite, invece, offre una soluzione più sostenibile ed ecologica.

“Quando si procede in senso inverso, dall’alto verso il basso, forse con qualcosa come la perovskite, si possono ottenere prestazioni e rendimenti molto elevati all’inizio, ma è molto meno stabile e i pannelli potrebbero durare solo un anno, quindi non è sostenibile”, ha concluso l’autrice. Invece qui si procede da una situazione stabile, con un rendimento basso, per muoversi puoi verso rendimenti più elevati.

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