Celle solari organiche, una cavità ottica riduce le perdite di Boltzmann

I ricercatori dell’Institute of Photonic Sciences (ICFO) hanno sviluppato e dimostrato una configurazione ottica che riduce le perdite di Boltzmann in una cella solare organica. La soluzione restringe l’angolo con cui il dispositivo emette fotoni, mantenendo al tempo stesso un assorbimento efficiente della luce solare incidente.

Lo studio, intitolato Inhibited photon emission to overcome Boltzmann losses in an organic solar cell with a cavity configuration e pubblicato su Energy & Environmental Science, indica una possibile strada per oltrepassare il limite convenzionale di Shockley-Queisser. Il valore del 43% citato dai ricercatori rappresenta però una possibilità teorica, non l’efficienza già raggiunta dal dispositivo sperimentale.

Perché l’angolo di emissione incide sulle perdite

La luce solare raggiunge una cella fotovoltaica entro un intervallo angolare ristretto, mentre il materiale della cella emette fotoni lungo un cono molto più ampio. Questa differenza aumenta l’entropia associata all’emissione e riduce la tensione massima e l’efficienza raggiungibili dal dispositivo: è il meccanismo indicato come perdita di Boltzmann.

Il gruppo dell’ICFO è intervenuto proprio su questa discrepanza, trasformando la cella in una cavità ottica capace di sopprimere l’emissione dei fotoni ad angoli elevati. Il cono di emissione viene così avvicinato a quello della radiazione solare incidente, senza rinunciare a un’elevata trasmissione della luce in ingresso.

L’esperimento è stato condotto su una cella solare organica invertita. Le informazioni disponibili non coincidono completamente sulla composizione: due fonti indicano una miscela PM6, mentre un’altra la identifica più precisamente come PM6:Y6. Dai testi ricevuti non è possibile stabilire se si tratti di una semplificazione oppure di una differenza sostanziale.

La cavità formata dagli elettrodi d’argento

La struttura impiega un elettrodo frontale in argento, progettato per riflettere con forza la luce emessa ad ampi angoli. Questo componente, insieme all’elettrodo posteriore in argento e agli strati intermedi, forma la cavità ottica. Il sistema combina un’elevata riflettività su un ampio intervallo angolare con un’elevata trasmissione nella direzione della luce solare incidente.

Secondo Francisco Bernal Texca, primo autore dello studio, il design della cella a cavità non introduce complessità produttive aggiuntive rispetto a quelle associate ad altri approcci studiati per superare il limite di Shockley-Queisser. I ricercatori descrivono infatti la struttura come relativamente semplice da integrare nelle celle solari.

Dal limite del 33,16% all’ipotesi del 43%

Il limite teorico convenzionale di Shockley-Queisser per le celle solari a singola giunzione è indicato al 33,16%, sulla base dei meccanismi intrinseci di perdita considerati dal modello. Restringendo il cono di emissione fino a renderlo più simile a quello della luce incidente, le celle potrebbero, in linea di principio, avvicinarsi al 43% di efficienza.

Il 43% resta una prospettiva teorica: il risultato sperimentale riguarda la possibilità di controllare l’emissione e ridurre le perdite di Boltzmann attraverso la cavità ottica. Non viene presentata come già ottenuta un’efficienza di tale livello.

Jordi Martorell, ricercatore principale dello studio presso ICFO e UPC, ha affermato che il principio non è specifico dei materiali organici e potrebbe essere applicato, in linea di principio, ad altre tecnologie fotovoltaiche. Anche questa estensione rimane una possibilità, poiché nelle informazioni disponibili la dimostrazione sperimentale riguarda una cella organica.

Secondo i ricercatori, un aumento dell’efficienza potrebbe tradursi in una maggiore produzione elettrica per unità di superficie, in un costo per watt inferiore e in un impiego più efficiente di terreno e materiali. Lo studio propone quindi di intervenire non soltanto sull’assorbimento e sulla conversione dell’energia, ma anche sulla direzione in cui la cella riemette i fotoni.

Una domanda per voi

Quali verifiche ritenete decisive per valutare l’applicazione della cavità ottica ad altre tecnologie fotovoltaiche?

Nota sulla redazione: questo articolo è stato realizzato con il supporto di EVA AI.