Diodi di bypass integrati nelle celle per moduli fotovoltaici al silicio a contatto posteriore ad alta efficienza e tolleranti all’ombratura

Pannelli solari più sicuri per i tetti di tutti i giorni

I pannelli solari installati sui tetti sono destinati a generare elettricità in modo discreto per decenni, ma nella pratica quotidiana si coprono di foglie, neve, comignoli e ombre provenienti da edifici vicini. Anche piccole zone d’ombra possono privare un pannello della sua potenza e, cosa più preoccupante, creare punti caldi pericolosi che possono danneggiare l’hardware. Questo articolo esplora un nuovo tipo di cella solare in silicio che integra una funzione di sicurezza direttamente in ciascuna cella, rendendo i pannelli sia più efficienti sia molto più tolleranti all’ombreggiamento di tutti i giorni.

Perché l’ombra è un problema così grave

Un pannello solare non è un unico dispositivo, ma una catena di molte celle collegate tra loro. Quando una cella è in ombra, la sua corrente elettrica diminuisce, mentre le altre celle illuminate continuano a spingere corrente attraverso di essa. La cella ombreggiata viene quindi costretta in uno stato elettrico chiamato polarizzazione inversa, in cui non agisce più come sorgente di potenza ma come assorbitore. Il risultato può essere un surriscaldamento locale severo, noto come punti caldi, che spreca energia e, nei casi estremi, può danneggiare o addirittura infiammare parti del modulo. La protezione standard utilizza componenti elettronici aggiuntivi chiamati diodi di bypass collegati a gruppi di celle, ma installarne uno per ogni cella sarebbe troppo ingombrante e costoso, e raggruppare molte celle sotto un singolo diodo offre solo una protezione parziale.

Trasformare ogni cella nella propria valvola di sicurezza

Gli autori propongono un progetto ingegnoso delle celle solari al silicio con contatti posteriori in cui ogni cella include un comportamento di “bypass” integrato senza aggiungere componenti separati. Invece di fare affidamento su un singolo diodo esterno per salvare molte celle, ingegnerizzano gli strati sul retro della cella per creare molti piccoli canali di conduzione inversa distribuiti sulla superficie. Questi canali restano praticamente spenti durante il funzionamento normale, preservando l’alta efficienza, ma si attivano quando la cella viene spinta in polarizzazione inversa a causa dell’ombreggiamento. In effetti, la cella ottiene una valvola di sicurezza interna, fornendo automaticamente un percorso per far circolare la corrente attorno alle regioni ombreggiate prima che si sviluppino tensioni pericolose e punti caldi.

Come funzionano i canali nascosti all’interno della cella

Al centro del progetto c’è una combinazione attentamente stratificata di materiali sul retro del wafer di silicio. Le celle a contatto posteriore già posizionano i contatti positivo e negativo affiancati sul retro, separati da strette fessure. Il team sfrutta i bordi di queste fessure per inserire sottili strati sovrapposti che favoriscono gli elettroni in una parte e le lacune (i loro corrispondenti positivi) in un’altra. In polarizzazione inversa, gli elettroni che entrano nella cella ombreggiata viaggiano attraverso il silicio e vengono convogliati verso queste regioni di sovrapposizione, dove il paesaggio energetico consente loro di “tunnelizzare” attraverso la pila e riemergere come corrente che può essere portata via in sicurezza. Poiché pile simili sono ripetute centinaia di volte sul retro della cella, la corrente inversa si distribuisce invece di concentrarsi in un singolo punto debole. Simulazioni e misure mostrano che questi canali ingegnerizzati si comportano come molti piccoli diodi appositamente sintonizzati integrati direttamente nella cella.

Mantenere alte le prestazioni alla luce di tutti i giorni

Qualsiasi percorso aggiuntivo per la corrente rischia di trasformarsi in una perdita che spreca potenza quando la cella funziona normalmente. Un risultato chiave di questo lavoro è la progettazione degli strati sovrapposti in modo che trasportino corrente significativa solo quando la cella è spinta in polarizzazione inversa, ma contribuiscano molto poco quando la cella opera nella sua direzione diretta abituale. Il team analizza come elettroni e lacune si muovono attraverso le pile in entrambe le condizioni e regola lo spessore e le proprietà dei materiali in modo che l’effetto di tunneling si riduca gradualmente mentre la tensione diretta sale verso il punto di lavoro della cella. Di conseguenza, dispositivi prototipo con la nuova struttura raggiungono un’efficienza di conversione dell’energia certificata del 27,49%, al livello delle migliori celle al silicio a contatto posteriore, pur offrendo una forte conduzione inversa quando necessario.

Pannelli più freddi e stabili in condizioni realistiche

Per verificare se questo micro-aggiornamento facesse davvero la differenza nel mondo reale, i ricercatori hanno costruito moduli solari completi usando le loro nuove celle e li hanno confrontati con moduli convenzionali sottoponendoli a test di ombreggiamento estremi. Quando diverse celle erano fortemente ombreggiate, i moduli standard sviluppavano regioni calde che salivano rapidamente fino a circa 190 gradi Celsius. I nuovi moduli, al contrario, si stabilizzavano vicino ai 90 gradi, con il calore distribuito più uniformemente e molte meno zone permanentemente danneggiate. Nei test in cui solo una parte di una singola cella era in ombra, i moduli convenzionali perdevano quasi la metà della loro potenza in uscita, nonostante la presenza di diodi di bypass esterni. I moduli che utilizzavano le nuove celle mostravano solo riduzioni modeste di potenza, dimostrando che i canali integrati aiutano a mantenere il flusso di elettricità più regolare nonostante l’illuminazione disomogenea.

Un passo verso l’energia solare più intelligente e resistente

Questo lavoro mostra che la protezione contro l’ombreggiamento non deve provenire da cablaggi e componenti esterni alla cella. Integrando il comportamento di bypass nella stessa struttura della cella, gli autori creano moduli solari che sono sia altamente efficienti sia molto più tolleranti alle ombre quotidiane, riducendo potenzialmente costi e complessità. Man mano che l’energia solare si diffonde sui tetti affollati e nelle città piene di ostacoli e luce variabile, queste celle auto-protettive e resistenti all’ombreggiamento potrebbero rendere i sistemi solari più sicuri, durevoli e affidabili per i proprietari di casa e le utility.

Citazione: Tang, H., Li, Y., Lin, H. et al. In-cell bypass diodes for high-efficiency and shading-tolerant back contact silicon photovoltaic modules. Nat Commun 17, 3360 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70005-1

Parole chiave: celle solari, ombreggiamento parziale, silicio a contatto posteriore, diodo di bypass, moduli fotovoltaici