Fotovoltaico: la tecnologia tandem è sempre più affidabile
Uno studio condotto da 3Sun e da poco pubblicato sulla prestigiosa rivista scientifica ’Advanced Science’ prova come ‘bypassare” le criticità causate dal fenomeno dell’ombreggiatura parziale sulle tecnologie silicio-perovskite
Come evitare che il fenomeno denominato “reverse bias” ponga le celle tandem silicio/perovskite “sotto stress”? A queste domande ha risposto una ricerca condotta da alcuni dei nostri colleghi del team di Ricerca e Sviluppo, in collaborazione con il centro di ricerca CEA-Liten all'INES, e pubblicata sulla prestigiosa rivista ‘Advanced Science’ col titolo “Silicon/Perovskite Tandem Solar Cells with Reverse Bias Stability down to -40V. Unveiling the Role of Electrical and Optical Design”.
Qual è stato il punto di partenza del nostro studio?
Si chiama “reverse bias” ed è tra i fattori che possono compromettere l’efficienza e l’integrità di un modulo solare: basta, infatti, una parziale ombreggiatura dell’impianto causata da un albero, dalla neve o da qualsiasi altro elemento per sottoporre le celle solari a una condizione di stress capace di metterne a rischio le prestazioni in modo permanente. Questo può essere particolarmente severo per gli impianti basati su tecnologia a film sottile, tra cui quelli di prossima generazione, come la perovskite. Il “reverse bias” ha un minor impatto in impianti basati sul silicio cristallino (tra cui l’eterogiunzione - HJT), in grado, attraverso accorgimenti particolari, come l’integrazione di diodi di bypass all’interno del modulo fotovoltaico, di adattarsi meglio a tale effetto.
Celle a tecnologia Tandem, prestazioni elevate e resistenza
Da sempre capofila dell’innovazione nel fotovoltaico, 3SUN ha indagato l’impatto del “reverse bias” sulle proprie celle tandem in silicio/perovskite che oggi sono in fase di sviluppo. I risultati, estremamente promettenti, riportarti in una ricerca da poco pubblicata su ‘Advanced Science’, rivelano come l’accoppiamento in tandem con il silicio, oltre a permettere una efficienza di cella superiore al 30%, riesca a proteggere la perovskite dagli effetti indesiderati del reverse bias.
Nelle parole di uno dei protagonisti della ricerca, il nostro collega Diego Di Girolamo, Advanced R&D Specialist di 3SUN: “Grazie a questi studi, abbiamo indagato la risposta delle celle tandem al “revers bias”, comprendendo come il silicio possa aiutare la perovskite a non risentirne. Al tempo stesso, la ricerca ha permesso di capire come progettare al meglio alcuni aspetti chiave della tecnologia tandem, così da assicurare una protezione più efficiente possibile alla cella”.
Giuliana Giuliano e Diego Di Girolamo, del nostro team di Ricerca e Sviluppo, hanno partecipato alla ricerca pubblicata su 'Advance Science'.
Cosa accade alla cella fotovoltaica in condizioni di parziale ombreggiatura
“Lo studio – prosegue Di Girolamo – si pone come resoconto di un’attività svolta per analizzare la stabilità e l’affidabilità della tecnologia tandem silicio/perovskite in casi di “reverse bias”. Si tratta di un tema centrale nel fotovoltaico e, in generale, per qualsiasi tipo di tecnologia, specie per quelle più innovative tra cui, appunto, la tandem. Il lavoro, in particolare, osserva ciò che succede quando le celle solari sono esposte a parziale ombreggiatura, che fa sì che alcune riescano a produrre energia, altre no, e quindi tendendo a dissipare l’energia prodotta”.
Ma che cosa accade effettivamente al modulo quando è parzialmente in ombra? “Occorre considerare che di norma un modulo fotovoltaico è costituito da tante celle solari connesse tra loro in serie. Questo implica che la stessa corrente debba attraversarle tutte. Se, però, una cella non è esposta alla luce del sole, non riuscendo a produrre energia, finirà per dissipare quella prodotta dalle altre celle “illuminate”, riscaldandosi e, di fatto, restituendo potenziali negativi”, ha sottolineato Di Girolamo, che prosegue: “Questo comporta uno stress termico ed elettrico che può arrivare a compromettere definitivamente l’efficienza della cella solare, un aspetto particolarmente rilevante per le tecnologie a film sottile, come i moduli fotovoltaici che come materiale attivo usano soltanto la perovskite”.
3SUN: la soluzione alle criticità del reverse bias
Una problematica non da poco, perché può destabilizzare l’intero impianto. Come spiega il nostro collega: “La perovskite d’altronde è un materiale alquanto recente, di cui si sa meno rispetto al silicio, e che tende a esibire una certa degradazione se sottoposta a reverse bias. La ricerca, però, ci ha permesso di evidenziare come il silicio riesca a proteggerla e di individuare gli aspetti da tenere in considerazione per massimizzare tale protezione. Disponiamo, di fatto, delle linee guida per progettare una cella tandem che sia stabile alle sollecitazioni dell’ombreggiatura parziale. Il nostro studio, inoltre, potrà consentire di progettare protocolli di valutazione dell’affidabilità delle celle tandem rispetto al reverse bias più completi e maggiormente descrittivi dei reali meccanismi di degradazione, un punto molto rilevante trattandosi di tecnologia innovativa”.
Il risultato centrale è la comprensione che accoppiando la perovskite al silicio è possibile utilizzare le strategie convenzionali impiegate nel silicio anche per le celle tandem, preservando la perovskite e le prestazioni attraverso sfruttando i diodi di bypass. “Sostanzialmente - conclude Di Girolamo -, abbiamo osservato che, anche portando per un numero di ore superiore al normale la tandem a un valore estremamente stressante, ma verosimile in condizioni operative, come -40 V, la cella solare, se opportunamente progettata, mantiene tutta la propria efficienza iniziale”.