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Modeling efficiency penalties of narrow-bandgap perovskites in Si-based tandem solar cells: Incorporating luminescent coupling at non-ideal absorption

Questo studio presenta un modello di bilancio dettagliato che incorpora l'accoppiamento luminescente per dimostrare che le perovskiti a banda stretta (~1,57 eV) comportano penalità di efficienza sorprendentemente piccole nelle celle solari tandem a base di silicio rispetto ai controparti con bandgap ottimale, suggerendo che la loro rilevanza potenziale sia sottostimata a causa dei significativi guadagni in stabilità e risparmio di materiale.

Autori originali: Rolf Brendel

Pubblicato 2026-08-20

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CC BY 4.0

Autori originali: Rolf Brendel

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Le celle solari sono i motori della transizione verso le energie rinnovabili, trasformando direttamente la luce solare in elettricità. Per decenni, gli scienziati hanno saputo che un singolo strato di materiale non può catturare in modo efficiente tutta l'energia della luce solare; alcuni colori della luce passano oltre, mentre altri vengono assorbiti troppo rapidamente, sprecando la loro energia sotto forma di calore. Per risolvere questo problema, i ricercatori sovrappongono due diversi tipi di celle solari, creando un dispositivo tandem. Lo strato superiore è progettato per catturare la luce blu ad alta energia, lasciando però passare la luce rossa a energia inferiore verso uno strato di silicio sottostante per essere raccolta. Questa combinazione ha il potenziale di spingere l'efficienza solare ben oltre ciò che le celle a singolo strato possono raggiungere. Tuttavia, trovare il materiale perfetto per quello strato superiore è un delicato gioco di equilibrio. Se lo strato superiore è sintonizzato per assorbire la gamma errata di colori, potrebbe generare troppa elettricità per quanto lo strato inferiore sia in grado di gestire, oppure potrebbe essere troppo spesso, rendendo il dispositivo costoso e instabile.

Un ricercatore dell'Università Leibniz di Hannover e dell'Istituto per la Ricerca sull'Energia Solare di Hamelin ha sviluppato un nuovo modo per modellare queste celle impilate per vedere se una scelta di materiale leggermente diversa potrebbe essere in realtà migliore rispetto alla preferita attuale. Si è concentrato su un tipo specifico di materiale chiamato perovskite, una struttura cristallina che può essere sintonizzata per assorbire diversi colori di luce. Mentre la comunità scientifica ha generalmente concordato sul fatto che lo strato superiore ideale debba avere un band gap di circa 1,7 elettron volt per massimizzare la potenza, il ricercatore voleva sapere cosa accade se il materiale è leggermente diverso, con un band gap di 1,57 elettron volt. Questo intervallo più stretto significa che il materiale assorbe una parte maggiore dello spettro solare, ma crea anche un surplus di energia che deve essere gestito. La chiave della sua indagine è stata un fenomeno chiamato accoppiamento luminescente, un processo in cui la cella superiore, dopo aver assorbito la luce, riemette parte di quell'energia come luce che viaggia verso la cella di silicio sottostante per essere utilizzata nuovamente.

Utilizzando un modello computazionale dettagliato basato sulla fisica fondamentale, il ricercatore ha simulato il comportamento di queste celle tandem sotto la luce solare standard. Ha tenuto conto dello spessore dello strato superiore e di come la luce rimbalza e viaggia attraverso il dispositivo, invece di affidarsi ad assunzioni semplificate che ignorano questi dettagli ottici. Le sue simulazioni hanno rivelato un risultato sorprendente: la penalità di efficienza derivante dall'uso del materiale a gap più stretto è molto minore di quanto precedentemente ipotizzato. Quando la cella superiore è sintonizzata sul valore ideale di 1,7 elettron volt, il dispositivo raggiunge un'efficienza di picco di circa il 41,8 percento. Quando la cella superiore è realizzata con il materiale a gap più stretto, l'efficienza scende a circa il 39,9 percento. Questo rappresenta una perdita relativa di solo circa il 5 percento. Nel mondo dell'energia solare, dove ogni frazione di percentuale è ferocemente contesa, questo è un prezzo sorprendentemente piccolo da pagare.

Il motivo per cui questa piccola perdita è così significativa risiede nello spessore dei materiali richiesti. Per raggiungere quella massima efficienza con il materiale ideale da 1,7 elettron volt, lo strato superiore deve essere piuttosto spesso, circa 1500 nanometri. Tuttavia, il ricercatore ha scoperto che il materiale a gap più stretto raggiunge la sua migliore prestazione con uno spessore di soli 733 nanometri. Ciò significa che accettando una minuscola riduzione dell'efficienza teorica, i produttori potrebbero tagliare di oltre la metà la quantità di materiale necessaria per la cella superiore. Questa riduzione non riguarda solo il risparmio sulle materie prime; accelera anche il processo di produzione, poiché la deposizione di strati più sottili richiede meno tempo, e riduce la quantità di piombo tossico contenuto in ogni metro quadrato del pannello.

Lo studio ha esplorato anche come queste scoperte resistano in diverse configurazioni. In una configurazione in cui le due celle sono collegate elettricamente in un unico circuito, la penalità del 5 percento rimane costante. Tuttavia, se le celle sono cablate separatamente, permettendo loro di operare indipendentemente, il divario di efficienza si riduce ulteriormente a appena il 2 percento. Ciò suggerisce che il materiale a gap più stretto è altamente versatile. Il ricercatore ha osservato che, sebbene il materiale con il gap ideale rappresenti il massimo teorico, l'opzione a gap più stretto offre un compromesso interessante. Se il materiale a gap più stretto dovesse dimostrarsi più stabile nel tempo o più economico da produrre, potrebbe in definitiva fornire più elettricità durante l'intera vita di un parco solare rispetto all'alternativa teoricamente perfetta ma più fragile.

Calcolando rigorosamente come la luce si muove e si accoppia tra gli strati, questo lavoro sfida l'assunto che il band gap ottimale sia l'unica strada percorribile. Suggerisce che la perovskite a gap stretto, che è stata in parte trascurata a favore dell'ideale teorico, possa essere una scelta più pratica per i pannelli solari reali. Le scoperte forniscono un modo basato sui dati per pesare i compromessi tra efficienza pura e fattori come stabilità, costo e utilizzo dei materiali. Per il futuro dell'energia solare, ciò significa che la ricerca della cella solare perfetta potrebbe non richiedere di inseguire un singolo numero teorico, ma piuttosto di trovare il giusto equilibrio tra prestazioni e praticità.

Sintesi Tecnica: Modellazione delle Penali di Efficienza di Perovskiti a Bandgap Stretto in Celle Solari Tandem a base di Silicio

Problematica
La previsione accurata del potenziale di efficienza per le celle top a perovskite (Pk) in dispositivi tandem a base di silicio (Si) dipende criticamente dalla quantificazione dell'accoppiamento luminescente (LC). Sebbene il bandgap ottimale per una cella top a Pk sia generalmente accettato intorno a 1,7 eV, i materiali con bandgap più stretti (~1,57 eV) offrono potenziali vantaggi in termini di stabilità, riduzione dell'uso di materiale e minore tossicità. Tuttavia, gli approcci di modellazione precedenti hanno faticato a quantificare in modo affidabile la penale di efficienza associata a questi bandgap sub-ottimali. I modelli esistenti spesso si basavano su assunzioni semplificate, come l'assorbimento brusco all'inizio dell'assorbimento (absorption onset), l'assorbimento unitario per tutti i fotoni sopra il bandgap, o valori di LC empirici che non riuscivano a catturare la dipendenza intrinseca di LC dal bandgap e dallo spessore dell'assorbitore. Crucialmente, nessun approccio precedente ha derivato rigorosamente l'LC da primi principi per celle top non ideali (non-black), portando a potenziali sovrastime delle perdite di efficienza per i materiali a bandgap stretto.

Metodologia
L'autore presenta un modello di bilancio dettagliato (detailed balance - DB) completo che deriva l'accoppiamento luminescente da principi fisici fondamentali, tenendo conto specificamente dell'assorbimento dipendente dalla lunghezza d'onda in celle top non ideali. Il modello integra ed estende i framework precedenti per garantire la piena compatibilità con la modellazione DB stabilita per le celle di silicio cristallino a singola giunzione.

Le caratteristiche chiave del framework di modellazione includono:

Rigore Fisico: Il modello calcola l'LC risolvendo un sistema di equazioni per le intensità di interfaccia, considerando sia i flussi di luce speculare che diffusa. Tiene esplicitamente conto della densità degli stati fotonici nell'aria rispetto alla cella inferiore, evitando l'assunzione che una cella "nera" emetta ugualmente in tutte le direzioni.
Parametri Ottici ed Elettronici: La simulazione incorpora lo spettro solare AM1.5G, costanti ottiche dipendenti dalla lunghezza d'onda derivate da funzioni dielettriche conformi Kramers-Kronig (utilizzando modelli Tauc-Lorenz per MAPbI3), antiriflesso ideale, un riflettore posteriore Lambertiano e la ricombinazione Auger nella cella Si inferiore.
Approccio ALIAS: Il nucleo del metodo consiste nel calcolare la probabilità che la luminescenza della cella top venga assorbita nella cella inferiore ( $\Lambda_{1\to2}$ ) rispetto a quella che sfugge o viene assorbita parassitamente. Ciò consente il calcolo della corrente di ricombinazione e della corrente di cortocircuito senza ricorrere a costanti di accoppiamento empiriche.
Configurazioni: Il modello è applicato alle configurazioni a due terminali (2T), tre terminali (3T) e quattro terminali (4T), variando lo spessore della perovskite ( $W_1$ ) e il bandgap ( $E_{g1}$ ).

Contributi Chiave

Derivazione dell'LC da Primi Principi: L'articolo fornisce la prima derivazione rigorosa dell'accoppiamento luminescente per celle non-black, dimostrando che l'LC è sensibile sia al bandgap che allo spessore della cella top.
Quantificazione delle Penali di Efficienza: Lo studio quantifica la penale di efficienza relativa delle perovskiti a bandgap stretto (~~1,57 eV) rispetto al bandgap ottimale (~~1,7 eV).
Ottimizzazione dello Spessore: Il modello rivela che i materiali a bandgap stretto permettono strati assorbitori significativamente più sottili mantenendo il matching di corrente, un fattore precedentemente sottoutilizzato nelle analisi di compromesso sull'efficienza.

Risultati
Le simulazioni producono i seguenti risultati primari:

Penale di Efficienza: Per una configurazione 2T, la penale di efficienza relativa per una perovskite da 1,57 eV rispetto al gap ottimale di 1,7 eV è di circa il 4,7% - 5%. Questo è significativamente inferiore alle stime precedenti (fino al 25%) che trascuravano l'LC o utilizzavano modelli meno rigorosi. Nelle configurazioni 4T, la penale scende ulteriormente a circa il 2%.
Risparmio di Spessore: Lo spessore ottimale per la cella top a bandgap stretto (1,57 eV) è ridotto di oltre il 50% rispetto al caso del gap ottimale. Ad esempio, nel caso 2T di riferimento, lo spessore ottimale per 1,57 eV è di ~733 nm, mentre il gap ottimale richiede ~1500 nm.
Magnitudo dell'Accoppiamento Luminescente: La densità di corrente dell'LC ( $J_{1\to2}$ ) aumenta rapidamente con lo spessore per i bandgap stretti, raggiungendo 4,37 mA/cm² a 1500 nm. Questo accoppiamento è essenziale per il matching di corrente nei dispositivi 2T con celle top a bandgap stretto.
Robustezza: La penale del ~5% e il risparmio di spessore del >50% rimangono coerenti attraverso varie assunzioni, inclusa una ridotta efficienza luminescente interna ( $Q_i = 0,7$ ), l'inclusione del trapping della luce sulla superficie frontale e l'aggiunta della ricombinazione non radiativa nella cella Si.
Dipendenza dalla Configurazione: Nelle configurazioni 3T e 4T, la penale di efficienza rimane bassa (~2-5%), ma il vantaggio nello spessore ottimale scompare man mano che i vincoli di matching di corrente vengono allentati.

Significato e Rivendicazioni
L'articolo sostiene che le modeste perdite di efficienza associate alle perovskiti a bandgap stretto (~1,57 eV) potrebbero essere state precedentemente sottostimate a causa della mancanza di una modellazione rigorosa dell'LC. L'autore afferma che questi materiali possiedono una "rilevanza precedentemente sottostimata" per la fotovoltaica tandem.

La significatività risiede nel potenziale compromesso: la perdita relativa di efficienza del ~5% nelle configurazioni 2T è compensata da:

Risparmio di Materiale: Una riduzione dello spessore dell'assorbitore di oltre la metà, il che è critico per le tecniche di deposizione sotto vuoto e la riduzione dei costi.
Stabilità: I materiali a bandgap stretto spesso esibiscono tensioni più vicine ai loro limiti radiativi e soffrono meno di segregazione di fase e disomogeneità composizionali rispetto alle controparti a bandgap più ampio.
Tossicità: I film più sottili riducono il contenuto totale di piombo (Pb) per area del modulo.
Versatilità: Questi materiali sono adatti per moduli a singola giunzione ad alta efficienza (in configurazioni 4T) e per applicazioni spaziali grazie alla superiore tolleranza alle radiazioni.

L'autore conclude che il proprio modello consente una selezione dei materiali basata sui dati, permettendo di bilanciare le considerazioni sulle prestazioni con i criteri di stabilità e produzione, motivando potenzialmente una rivalutazione strategica dello sviluppo di tandem Pk-Si con assorbitori a bandgap più basso.

Sintesi Tecnica: Modellazione delle Penali di Efficienza di Perovskiti a Bandgap Stretto in Celle Solari Tandem a base di Silicio

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