Il silicio delle celle solari può misurare se stesso

Il metodo sfrutta il serbatoio di carica capacitivo del silicio e misura le due sottocelle in parallelo

Più di un’ora contro 7-12 millisecondi. È la differenza di tempo tra due modi di ottenere lo stesso dato: le correnti delle due sottocelle che compongono una cella solare tandem perovskite-silicio. Il primo è la caratterizzazione spettrometrica convenzionale. Il secondo è un metodo puramente elettrico, sviluppato dai ricercatori del Fraunhofer ISE e descritto lo scorso agosto sulla rivista Joule, come riportato da pv magazine nell’articolo dedicato alla nuova metrologia. Non è una notizia delle ultime ore, ma un risultato di ricerca recente che merita di essere letto per quello che dice sulla produzione, più che sull’efficienza.

Un’ora contro dodici millisecondi

Il lavoro si intitola “Inline millisecond subcell current metrology for perovskite/silicon tandem solar cells” e già nel titolo indica l’obiettivo: una misura in linea, cioè compatibile con i ritmi di una fabbrica. Su una cella industriale a dimensione reale, scansioni rapide di circa 7-12 millisecondi hanno prodotto due plateau ben definiti, che corrispondono strettamente alle correnti di sottocella ricavate con la tecnica spettrometrica, quella che richiede oltre un’ora per cella.

Per dare un ordine di grandezza: un’ora sono 3,6 milioni di millisecondi. Il rapporto tra i due tempi supera quindi le centomila volte. Un salto di questo tipo, però, ha senso solo se il dato più veloce è anche affidabile. Secondo il team di ricerca del Fraunhofer ISE, le misure sono risultate altamente riproducibili, con una deviazione standard relativa inferiore allo 0,1%. È il dato che separa una scorciatoia approssimativa da uno strumento utilizzabile per il controllo qualità. Resta da capire come si arrivi alla stessa informazione senza illuminare la cella con luce spettrale, usando soltanto un segnale elettrico.

Il silicio che fa da batteria

La risposta sta in una proprietà della cella inferiore in silicio che di solito non viene considerata una risorsa. Il metodo sfrutta il serbatoio di carica capacitivo intrinseco del silicio: in pratica, la sottocella in silicio accumula carica e questo comportamento, che in altri contesti è un effetto da correggere, diventa qui lo strumento di misura. Durante la scansione elettrica rapida emergono due plateau distinti, e ciascuno corrisponde alla corrente di una delle due sottocelle, quella in perovskite e quella in silicio.

Perché conta conoscere separatamente le due correnti? In una tandem le due celle sono collegate in serie, e la corrente complessiva è condizionata da quella più debole. Sapere quale delle due limita il dispositivo, e di quanto, è l’informazione che serve per capire se una cella è uscita bene dalla linea o se qualcosa nel processo va corretto. Finora ottenerla con precisione significava ricorrere alla spettrometria, con tempi incompatibili con la produzione in serie.

Il metodo del Fraunhofer ISE non è l’unica strada esplorata. Una rassegna sulla caratterizzazione delle tandem in produzione industriale, firmata da Schubert e colleghi e pubblicata su Solar RRL, descrive diverse rotte di caratterizzazione di tipo ottico: simulatori solari LED sintonizzabili che approssimano l’efficienza quantica esterna (EQE) prima della misura corrente-tensione, oltre a tecniche di luminescenza basate su camera, come la fotoluminescenza a scansione lineare e l’elettroluminescenza veloce a doppia camera. La differenza dell’approccio elettrico è che non ha bisogno di una sorgente luminosa spettralmente controllata né di sistemi di imaging: usa la cella stessa come parte dello strumento. Quale soluzione prevarrà nelle fabbriche dipenderà da costi, integrazione e affidabilità, aspetti su cui le fonti disponibili non offrono un confronto diretto.

Dalla rivista alla linea

Un metodo di laboratorio diventa rilevante solo se regge su celle reali, ed è per questo che il dettaglio della cella industriale a dimensione reale pesa più del numero in sé. Il contesto produttivo europeo delle tandem si sta spostando proprio su questi formati: le celle e i moduli certificati di Qcells sono stati fabbricati sulla linea pilota tandem di ricerca e sviluppo dell’azienda a Bitterfeld-Wolfen, in Germania, su substrati M10 a piena area, lo stesso formato della produzione di massa del silicio. È su volumi e dimensioni di questo tipo che un controllo qualità da oltre un’ora per cella diventa impraticabile.

Sul fronte delle infrastrutture, il Fraunhofer ISE presenta il laboratorio “Pero-Si-SCALE” come infrastruttura indipendente di ricerca e sviluppo, a disposizione dell’industria fotovoltaica tedesca ed europea. È il tipo di luogo in cui metodi come questo possono essere provati da chi produce, prima di arrivare nelle linee.

Vale la pena mantenere le proporzioni. Il lavoro pubblicato su Joule dimostra la misura su una cella, con una ripetibilità molto alta; non dimostra ancora come si comporti su migliaia di celle all’ora, con le variabilità tipiche di una produzione reale. Il numero da seguire nei prossimi mesi è proprio il tempo di misura per cella in linea: se resterà nell’ordine dei millisecondi anche su volumi industriali, il controllo delle sottocelle smetterà di essere un collo di bottiglia. A quel punto il limite delle tandem perovskite-silicio sarebbe la capacità produttiva, non più la misura. Il segnale concreto da osservare è l’eventuale adozione inline del metodo sulle linee pilota europee.