Celle solari ad alta efficienza con zolfo e selenio

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Un gruppo di ricercatori della Tokyo University ha scoperto la possibilità di sviluppare celle fotovoltaiche ad alte prestazioni a partire dal solfuro di stagno, composto abbondante ed economico 

Celle solari ad alta efficienza
Di Ivar Leidus – Opera propria, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=101699872

Come realizzare celle fotovoltaiche ad alta efficienza e allo stesso tempo economiche? In aiuto arriva il solfuro di stagno (SnS). Si tratta di un materiale comune, non tossico e di facile produzione che potrebbe oggi regalare una nuova chance evolutiva al fotovoltaico grazie al lavoro dell’università di Tokyo. Qui un gruppo di scienziati, guidati dal professore Issei Suzuki dell’Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials, ha trovato un modo per eludere uno dei principali problemi legati al suo impiego.

Il solfuro di stagno è ottenuto da elementi abbondanti quali lo zolfo e il selenio, e offre interessanti proprietà fotovoltaiche. A partire dall’elevato coefficiente di assorbimento ottico e da una banda proibita diretta di fascia media di 1,3-1,4 eV. Sulla carta potrebbe regalare alle celle un’efficienza di conversione del 32%. Un valore in grado di metterlo allo stesso livello del silicio cristallino.

Ecco perché non è la prima volta che questo composto è testato nella tecnologia solare. Ma come molti materiali economici e rispettosi dell’ambiente, l’SnS soffre di bassi fotovoltaggi. Per realizzare celle solari ad alta efficienza è necessario ottenere anche un’elevata tensione a vuoto. Tuttavia, la tensione a circuito aperto delle unità in solfuro di stagno risulta pari o inferiore al 5%, ovvero meno della metà di quella delle celle solari commerciali. 

La causa è da ricercare nei difetti di interfaccia che determinano il cosiddetto “effetto di blocco (pinning) del livello di Fermi”, il cui spostamento è invece essenziale per la generazione di una tensione. 

Per superare il problema il gruppo ha aggiunto ai cristalli di SnS ossido di molibdeno, un importante catalizzatore industriale. L’analisi tramite spettroscopia fotoelettronica a raggi X ha mostrato che, in questo modo, l’energia di Fermi di SnS all’interfaccia può essere spostata attraverso l’intero band gap. I risultati di questa ricerca sono stati pubblicati su The Journal of Physical Chemistry C il 30 novembre 2022 (testo in inglese).