Energia solare in un crocevia: la rivoluzione tandem

La spinta globale verso le emissioni di zero netti ha messo l'energia solare al centro della strategia energetica rinnovabile del mondo. Secondo l'Agenzia Internazionale per l'Energia, le aggiunte di capacità fotovoltaiche solari sono cresciute esponenzialmente nel decennio passato, guidate da drastiche riduzioni dei costi nella produzione e nell'installazione.

Quali sono le tecnologie Tandem Cell?

Le celle solari Tandem, anche chiamate celle multi-giunti, impilano due o più strati di assorbitore fotovoltaico sopra l'altro. Ogni strato è progettato per assorbire una porzione specifica dello spettro solare, convertendo i fotoni a diversi livelli di energia in corrente elettrica. In una cella mono-giunti, i fotoni con energia inferiore al passaggio di banda del materiale senza essere assorbiti, mentre i fotoni con energia significativamente superiore al processo di separazione generano calore in eccesso attraverso una riduzione di un'effetto di riduzione del 50%.

La Fisica dietro le architetture di Tandem

I sistemi di interconnessione ad alta efficienza consentono di assorbire le perdite di materiale in modo ottimale, senza che le cellule distribuiscano in modo efficiente i dispositivi di sovratensione di tipo multi-dimensionale.

Combinazioni materiali Guidare l'innovazione

La configurazione tandem più studiata si combina con il silicio cristallino con i materiali perovskite. I perovskiti sono emersi come partner top-cell ideale per il silicio perché il loro bandgap può essere sintonizzato in una vasta gamma regolando la composizione chimica, tipicamente da circa 1,5 a 2,3 volts di elettroni.

Vantaggi delle tecnologie cellulari Tandem

Il vantaggio fondamentale delle cellule tandem è semplice: convertono più luce solare in energia rispetto alle celle convenzionali. Tuttavia, i benefici pratici si estendono molto oltre il numero di efficienza stampato su un foglio di dati. L'efficienza più elevata si traduce direttamente in costi di bilanciamento ridotti del sistema, perché meno pannelli, meno hardware di montaggio, e più brevi uscite di cablaggio sono necessarie per raggiungere una data potenza di uscita.

Registrare le parole chiave di efficienza

Nel 2015, i risultati di perovskite-silicon hanno raggiunto circa il 13% di efficienza. Entro il 2020, quel numero era salito oltre il 29%, e nel 2023, i ricercatori al Helmholtz-Zentrum Berlin hanno riferito un'efficienza certificata 33,3% per un dispositivo tandem persico-silicon.

Vantaggi economici attraverso la catena del valore

Il quarto caso economico per le cellule tandem è costruito sul semplice aritmetico di watt per dollaro. Anche se le cellule tandem sono intrinsecamente più complesse e costose per la fabbricazione di celle di silicio standard, la loro maggiore efficienza può compensare questo premio di costo attraverso più meccanismi.

Prestazioni in condizioni reali

Le misurazioni dell'efficienza del laboratorio sono condotte in condizioni altamente standardizzate, ma le installazioni solari del mondo reale devono affrontare un ambiente molto più impegnativo. Le cellule del tandem offrono vantaggi tangibili in questo contesto perché la loro architettura multistrato fornisce una maggiore resilienza alla variazione spettrale.Quando il sole è basso all'orizzonte nel mattino o nella sera, lo spettro solare si sposta verso lunghezze d'onda più lunghe, riducendo l'uscita delle celle di silicio convenzionali.

Sfide che si trovano davanti a celle solari Tandem

Nonostante la loro straordinaria promessa, le cellule tandem affrontano ostacoli formidabili che devono essere superati prima di poter raggiungere un'adozione commerciale diffusa. Le sfide più critiche riguardano stabilità materiale, scalabilità produttiva e competitività dei costi.

Stabilità e durata dei materiali

I risultati di ricerca di Achille sono stati più sensibili all'umidità, all'ossigeno, al calore e all'esposizione prolungata della luce. I Perovskites sono composti ionici che possono degradare attraverso i cambiamenti di fase, la migrazione ionica o la reazione con i contaminanti ambientali.

Complessità e scalabilità di produzione

La produzione di cellule a circuizione è un'industria matura e altamente ottimizzata con processi standardizzati e attrezzature. Le cellule a tandem richiedono ulteriori passi di deposizione per gli strati superiori delle cellule, oltre che allineamento di precisione e interconnessione tra le sottocellule.

Costo Barriera e Entrata di Mercato

Anche se le sfide tecniche sono risolte, le cellule tandem devono competere sul costo con i moduli convenzionali di silicio che ora vendono per meno di $0,20 per watt. La complessità di produzione aggiunta e i costi materiali delle cellule tandem intrinsecamente aumentare il loro costo di produzione.

Ricerca e sviluppo Paesaggio

Le università, i laboratori nazionali e i centri R&D aziendali in tutto il mondo sono impegnati nella scoperta dei materiali fondamentali, nella fisica dei dispositivi e nell'ingegneria dei processi. Le principali iniziative di finanziamento, tra cui il programma Horizon Europe dell'Unione Europea e il Dipartimento dell'Energia Solare, hanno stanziato risorse sostanziali per accelerare lo sviluppo delle cellule tandem. La ricerca abbraccia molteplici piattaforme materiali e architetture dei dispositivi, ciascuna ha stanziato risorse sostanziali per accelerare lo sviluppo delle cellule tandem.

Perovskite-Silicon Tandems: il principale contender

I tandem industriali di Perovskite hanno attirato la maggior parte dell'attenzione e degli investimenti tra le tecnologie tandem, per buona ragione. Essi sfruttano l'infrastruttura di produzione di silicio esistente, che già produce centinaia di gigawatt delle celle solari ogni anno, mentre l'aggiunta di una cella di silicio relativamente sottile che può essere depositata utilizzando i processi di bassa temperatura di LONGskite può essere accordato per assorbire i prodotti commerciali di colore blu, verde e rosso.

Tandems: Flessibilità e basso costo

I tandems di tutto il mondo sono due strati di perovskite con differenti bandgaps, eliminando la necessità di un substrato di silicio. Questa architettura offre diversi vantaggi: l'intero dispositivo può essere prodotto con bassa temperatura, processi basati sulla soluzione su substrati flessibili, aprendo la porta a roll-to-roll produzione ad altissima produttività.

Celle a Multi-Junzione III-V: Efficienza massima a un Premium

I semiconduttori composti di III-V, compresi gli arsenide di gallio e i fosfidi di gallio di indio, hanno a lungo tenuto i record di efficienza più elevati per qualsiasi tecnologia fotovoltaica, che hanno sistemi di concentrazione di semi-conduttori di peso più elevati, ma che possono essere coltivati con la qualità cristallina quasi perfetta, utilizzando tecniche epitassiali come l'epitassi futura o la deposizione di vapore chimico-organico.

Il percorso per la commercializzazione

Il passaggio da un'innovazione di laboratorio al prodotto commerciale è sempre indifferente, e le cellule tandem non fanno eccezione. Tuttavia, l'industria solare ha un forte record di traccia di scalare nuove tecnologie, e diversi fattori suggeriscono che le cellule tandem seguiranno una simile traiettoria. I primi prodotti tandem commerciali sono previsti per essere moduli perovskite-silicon che mirano al segmento premium del tetto, dove una maggiore efficienza può comandare un premio di prezzo di moduli in silicio rispetto ai costi standard.

Conclusioni

Le tecnologie cellulari tandem stanno alla frontiera dell'innovazione energetica solare. Impilando più strati di assorbimento della luce ottimizzati per diverse parti dello spettro solare, questi dispositivi possono raggiungere efficienze che le celle a singola circonferenza non possono corrispondere. I potenziali vantaggi per il costo, l'uso del suolo e il rendimento energetico sono abbastanza consistenti da giustificare il significativo sforzo di ricerca e di ingegneria ora in corso.