Sincrotró ALBA
Un equip de l'EPFL i el CSEM ha aconseguit una eficiència rècord del 30% per a les cèl·lules solars de triple unió, que combinen dues cèl·lules de perovskita de pel·lícula fina i una cèl·lula de silici en un sol dispositiu. La fita podria fer avançar tecnologies solars assequibles de nova generació per a aplicacions espacials i terrestres. Les dades recollides a la línia de llum NCD-SWEET per científics d'ALBA van contribuir a la investigació.
Un equip d'investigació del Photovoltaics and Thin-Film Electronics Laboratory (PV-Lab) a la EPFL’s School of Engineering i el CSEM ha desenvolupat una nova cèl·lula solar que combina un voltatge excepcional, una alta eficiència i una fabricació escalable. El dispositiu de triple unió està compost d'una cel·la inferior de silici, sobre la qual es dipositen cel·les centrals i superiors fetes de semiconductors anomenades perovskites com a pel·lícules primes. El nou dispositiu, segons l'article publicat a Nature, aconsegueix una eficiència certificada independentment del 30,02%, superant l'anterior rècord certificat del 27,1%.
El primer autor, Kerem Artuk, doctorand del EPFL i actualment treballador al CSEM, declara que "hem demostrat que la combinació de materials avançats i enginyeria òptica pot produir eficiències i voltatges iguals a les de les cèl·lules solars utilitzades en aplicacions espacials, però potencialment a una fracció del seu cost."
"Ho demostrem amb disseny i processament intel·ligents. Podem aproximar-nos als nivells de rendiment tradicionalment reservats per a les cèl·lules solars multiunió III-V més cares que s'utilitzen a l'espai, que estan compostes per múltiples capes semiconductores. Aquestes poden arribar a una eficiència de fins al 37% i costen unes 1.000 vegades més que les cèl·lules terrestres per watt. El nostre enfocament obre la porta a una nova generació de sistemes fotovoltaics multiunió industrialment viables i d'alta eficiència."
"La nostra primera prova el 2018 només tenia una eficiència del 13%. Arribar ara a una eficiència superior al 30% en un dispositiu de triple unió és una fita remarcable", afegeix Christophe Ballif, cap del PV-Lab. "Les cèl·lules solars de triple unió tenen un potencial d'eficiència encara més alt en comparació amb les d'unió única i les de tàndem, molt per sobre del 40%".
Una arquitectura que trenca barreres
L'equip ha abordat dues limitacions de les cèl·lules solars de triple unió: la baixa tensió a la cel·la de perovskita superior i la baixa generació de corrent a la cel·la del mig. Van resoldre aquests reptes amb tres nous ajustos al material i al disseny òptic. Primer, van afegir una molècula que guia la formació de cristalls de perovskita i elimina els defectes, permetent que la cel·la superior creï un voltatge més alt (1,4 V) sota la llum solar. En segon lloc, van desenvolupar un nou mètode de tres passos per fabricar una cel·la intermèdia que millora l'absorció de la llum a la part de l'infraroig proper de l'espectre solar. Finalment, van afegir nanopartícules entre la cel·la de silici inferior i la cel·la de perovskita intermèdia que reflecteixen la llum solar addicional cap a la cel·la intermèdia, augmentant encara més el seu corrent.
Cap a una energia solar assequible d'alta eficiència
Tant la perovskita com el silici són més barats de fabricar que les cèl·lules solars semiconductores III-V més eficients disponibles avui dia, que es basen en materials cars i s'utilitzen principalment per alimentar satèl·lits. El desenvolupament de cèl·lules solars que puguin assolir aquest nivell d'eficiència a un cost molt menor podria permetre el desenvolupament de tecnologies solars de nova generació per a ús residencial i de serveis públics, així com per a aplicacions espacials.
El líder de l'equip de l'EPFL, Christian Wolff, anuncia que continuaran explorant estratègies d'ampliació per a la fabricació amb el CSEM, així com fent proves de durabilitat i integració en futurs productes comercials.
"Aquest projecte il·lustra el poder de combinar la ciència fonamental amb els coneixements d'enginyeria suïssa", afirma. "En demostrar que els materials de perovskita de baix cost poden aproximar-se al rendiment de la fotovoltaica de grau espacial més avançada, aquesta investigació estableix un nou punt de referència per a la fotovoltaica multiunió.”
Composició de la cèl·lula solar de triple unió: dues cèl·lules de perovskita de capa fina (etiquetes taronja i vermella) i una cèl·lula de silici (gris fosc). Els materials de cada capa s’indiquen al costat dret. Les fletxes de la imatge de microscòpia electrònica de rastreig indiquen els diferents colors de la llum absorbida en les diferents cèl·lules solars que constitueixen la triple unió. 2026 EPFL PV-Lab CC BY SA.
Imatge de la línia de llum NCD-SWEET al Sincrotró ALBA.
Aquesta recerca ha tingut la col·laboració de: Fraunhofer ISE (Alemanya), University of Freiburg (Alemanya), Empa (Suïssa), Northwestern University (EUA), Helmholtz-Zentrum Berlin (Alemanya), University of Queensland (Austràlia), University of Potsdam (Alemanya), Arizona State University (EUA), ALBA Synchrotron, University of Groningen (Països Baixos) i EPFL Valais-Wallis (Suïssa).
Aquest treball ha estat possible gràcies al suport destacat de: Unió Europea (Horizon projects TRIUMPH i VIPERLAB), Fonds Électricité Vitale Vert (Services Industriels de Genève), Swiss State Secretariat for Education, Research and Innovation (SERI), Swiss Federal Office of Energy i the Swiss National Science Foundation.