Il limite teorico per cui una cella solare a singola giunzione può convertire al massimo il 33,16% della luce del sole – il cosiddetto limite di Shockley-Queisser – è uno dei vincoli più noti e più discussi della fisica del fotovoltaico. Un gruppo di ricercatori dell'ICFO (Istituto di Scienze Fotoniche) e dell'Università Politecnica della Catalogna (UPC), a Barcellona, ha pubblicato sulla rivista Energy & Environmental Science uno studio che propone una strategia per spostare quel limite verso l'alto, intervenendo su una delle cause meno conosciute delle perdite di energia nelle celle fotovoltaiche: le cosiddette perdite di Boltzmann, legate al modo in cui la cella stessa riemette parte della luce che assorbe. Applicata a una cella solare organica basata sulla miscela PM6:Y6, la tecnica racchiude il dispositivo in una cavità ottica che restringe l'angolo di emissione della luce, e secondo gli autori apre in linea di principio la strada a efficienze prossime al 43%.
TRL 2-3 — Ricerca sperimentale: dimostrazione di principio su un singolo dispositivo di laboratorio, nessuna efficienza di conversione misurata è stata finora pubblicata
Impatto potenziale: medio
Le perdite di Boltzmann: il problema che pochi conoscono
Quando si parla dei limiti di efficienza del fotovoltaico, il riferimento più citato è il limite di Shockley-Queisser, calcolato nel 1961: per una cella a singola giunzione, posta sotto la luce solare non concentrata, il massimo teorico di conversione dell'energia luminosa in elettricità è pari al 33,16%. Gran parte della ricerca fotovoltaica degli ultimi dieci anni — dalle celle tandem perovskite-silicio alle celle multigiunzione — nasce proprio dal tentativo di superare questo tetto cambiando architettura, non fisica di base. Lo studio ICFO-UPC punta invece dentro a quel limite, isolando una delle sue componenti meno discusse: le perdite di Boltzmann, un effetto legato al fatto che qualunque materiale capace di assorbire luce è anche, per ragioni termodinamiche, capace di riemetterla. Il Sole, visto dalla Terra, occupa una porzione molto piccola del cielo: la luce arriva quindi alla cella in un cono di direzioni molto ristretto. Una cella solare convenzionale, al contrario, può riemettere i fotoni assorbiti (e non convertiti in corrente) in un cono molto più ampio, che copre quasi l'intero emisfero sopra il dispositivo. Questa asimmetria tra il cono di assorbimento e quello di emissione comporta una perdita di energia utilizzabile che si aggiunge a quelle, più note, dovute alla ricombinazione dei portatori di carica o al calore in eccesso dei fotoni ad alta energia.
Una cavità ottica per restringere il cono di emissione
Per intervenire su questo meccanismo, il team guidato dal professor Jordi Martorell — con Francisco Bernal Texca come primo autore, insieme a Chiara Cortese, Mariia Kramarenko e Quan Liu — ha lavorato su una cella solare organica invertita basata sulla miscela PM6:Y6 (PM6 come polimero donatore, Y6 come accettore a piccola molecola), una delle combinazioni di riferimento nella ricerca sul fotovoltaico organico degli ultimi anni. Il dispositivo è stato trasformato in una vera e propria cavità ottica, dotata di un elettrodo frontale a base d'argento con elevata riflettività sugli angoli ampi e di un secondo elettrodo d'argento sul retro. La combinazione dei due strati riflettenti lascia passare efficacemente la luce solare che arriva dalla direzione "giusta" (quella del cono di incidenza), ma rimanda indietro, inibendola, l'emissione di fotoni verso gli angoli più ampi. In altre parole: la cella continua ad assorbire come prima, ma perde meno energia nel momento in cui rilascia di nuovo parte di quei fotoni. Un dettaglio sottolineato dagli stessi autori è che questo schema non introduce complessità di fabbricazione aggiuntiva rispetto ai dispositivi organici già allo studio nei laboratori, un punto non scontato quando si parla di strategie per inseguire limiti teorici sempre più stretti.
Dalla teoria al 43%: che cosa dice davvero lo studio
È importante essere precisi su cosa lo studio dimostra e cosa, invece, resta una proiezione. Il comunicato dell'ICFO e le riprese della notizia su pv magazine e su diverse testate di settore non riportano un valore di efficienza di conversione misurato sul dispositivo sperimentale: il lavoro pubblicato su Energy & Environmental Science dimostra la fattibilità del principio — l'inibizione della fotoemissione ad angoli ampi in una cella organica reale — ma la cifra che ha attirato l'attenzione, un'efficienza "vicina al 43%", è una stima teorica di ciò che si potrebbe ottenere restringendo il cono di emissione fino a farlo coincidere con quello di assorbimento, non un dato misurato in laboratorio. Lo stesso Bernal Texca la presenta come un passo avanti concettuale significativo per il campo della conversione dell'energia solare, mentre Martorell insiste su un punto altrettanto rilevante dal punto di vista scientifico: il principio alla base della tecnica "non è specifico dei materiali organici" e potrebbe in linea di principio essere applicato ad altre tecnologie fotovoltaiche, comprese quelle a film sottile più vicine al mercato, come le celle a perovskite.
Un progetto europeo con un filo che arriva fino a Ferrara
Il lavoro si inserisce nel progetto europeo SOREC2, finanziato dall'Unione Europea (convenzione di sovvenzione n. 101084326) e coordinato dallo stesso Martorell, che riunisce otto partner tra istituti di ricerca e imprese: oltre a ICFO, figurano l'Università Autonoma di Barcellona, il California Institute of Technology (Caltech), l'italiana Università di Ferrara, le aziende Gemmate Technologies e Saule Technologies (quest'ultima tra i nomi più noti nella produzione industriale di celle a perovskite), l'azienda Vitsolc e il Danish Board of Technology. La presenza di un'università italiana nel consorzio, insieme a un'impresa come Saule attiva sulla manifattura di celle a perovskite, è un segnale che la ricerca sulle perdite ottiche fondamentali del fotovoltaico non riguarda solo il materiale organico usato nello studio, ma più in generale la traiettoria delle tecnologie fotovoltaiche a film sottile verso efficienze più vicine ai limiti teorici.
Perché interessa il settore
Il fotovoltaico organico resta, ad oggi, una tecnologia di nicchia rispetto al silicio cristallino e alle celle tandem perovskite-silicio che dominano le road map industriali: le efficienze record per dispositivi organici restano nell'ordine del 19-20%, ben lontane non solo dal 43% teorico discusso in questo studio ma anche dalle prestazioni commerciali del silicio. Il suo punto di forza non è (ancora) l'efficienza, ma la possibilità di produrre celle leggere, flessibili e semi-trasparenti con processi a basso costo, utili per applicazioni che il silicio rigido non può servire — dall'integrazione in finestre e facciate di edifici ai dispositivi portatili. Ciò che rende interessante questo studio, al di là della cifra del 43%, è la generalità del principio: se la riduzione delle perdite di Boltzmann tramite cavità ottiche si confermerà applicabile anche ad altre famiglie di celle a film sottile — perovskite in testa, vista la presenza di Saule Technologies nello stesso consorzio di ricerca — potrebbe offrire una strada di miglioramento dell'efficienza complementare rispetto a quelle già battute, come le architetture tandem multi-giunzione, senza richiedere processi produttivi radicalmente più complessi.
Il commento di PINET
Per l'Italia, dove la ricerca sul fotovoltaico di nuova generazione si concentra soprattutto sulle celle tandem perovskite-silicio — un ambito in cui il nostro paese, tra università e centri di ricerca, ha una presenza scientifica consolidata — questo studio interessa più per il metodo che per l'applicazione immediata: la presenza dell'Università di Ferrara nel consorzio SOREC2 è un segnale che la comunità di ricerca italiana segue da vicino anche il fronte, più di nicchia, del fotovoltaico organico e delle perdite ottiche fondamentali. Va detto con chiarezza che siamo di fronte a una dimostrazione di principio, non a un dispositivo pronto per la produzione: l'efficienza del 43% è una proiezione teorica, non un dato misurato, e il fotovoltaico organico resta oggi lontanissimo, in termini di prestazioni e di costi industriali, dalle tecnologie che il mercato sta effettivamente scalando. Il valore di questa ricerca, se confermato da sviluppi successivi, sta soprattutto nella sua possibile estensione ad altre tecnologie a film sottile più vicine alla commercializzazione, perovskite in primis: è su quel trasferimento, più che sul fotovoltaico organico in sé, che vale la pena continuare a tenere d'occhio i prossimi risultati del gruppo di Barcellona.
Fonti: ICFO, "Solar cells gain efficiency by emitting light in fewer directions", con approfondimenti da pv magazine Italia e optics.org, "ICFO boosts efficiency of organic solar cells by restricting emission angles". Studio originale: Energy & Environmental Science, DOI: 10.1039/d6ee03772k.
