Modellazione Silvaco TCAD, simulazione ottica e ottimizzazione per celle solari tandem perovskite e u-CIGS ad alta corrente con efficienze oltre il 30%

Energia più pulita grazie a una raccolta della luce più intelligente

Mentre il mondo cerca modi per ridurre le emissioni di carbonio soddisfacendo la domanda energetica in aumento, i pannelli solari sono chiamati a ottenere di più da ogni raggio di sole. Questo studio esplora un nuovo tipo di cella solare “tandem” che sovrappone due materiali assorbenti della luce avanzati, con l’obiettivo di estrarre più elettricità dalla stessa luce solare evitando elementi scarsi o tossici come il piombo e l’indio. Il lavoro utilizza simulazioni informatiche dettagliate per mostrare come un progetto del genere potrebbe realisticamente raggiungere efficienze superiori al 30%, un passo avanti importante rispetto alla maggior parte dei pannelli sui tetti oggi.

Perché sovrapporre strati solari aumenta le prestazioni

I pannelli solari convenzionali usano un singolo strato assorbente della luce, il che significa che possono catturare solo i fotoni con energia sufficiente per superare il gap energetico di quel materiale. I fotoni ad energia più alta perdono l’energia in eccesso come calore, e quelli a energia più bassa attraversano il materiale, rappresentando entrambe una luce solare sprecata. Una cella tandem affronta questo problema sovrapponendo due assorbitori diversi. Lo strato superiore è tarato per catturare la parte più blu e ad energia maggiore dello spettro, mentre lo strato inferiore è progettato per afferrare la luce più rossa e a energia minore che lo attraversa. Poiché ogni strato lavora più vicino al suo intervallo energetico ideale, il dispositivo combinato può convertire una frazione maggiore di luce solare in elettricità utile.

Costruire un tandem più verde: senza piombo e senza indio

Gli autori progettano un dispositivo a due strati in cui la cella superiore è realizzata con una perovskite senza piombo chiamata ioduro di bismuto metilammonio (MBI), e la cella inferiore è un film sottile del ben noto semiconduttore CIGS (selenuro di rame, indio e gallio). Per evitare l’uso dell’indio scarseggiante nell’elettrodo frontale trasparente, sostituiscono l’ossido di indio e stagno (ITO) ampiamente usato con ossido di stagno drogato al fluoro (FTO). L’FTO non solo evita problemi di fornitura, ma tollera anche temperature più alte e usura meccanica, rendendolo interessante per la produzione su larga scala. La cella singola simulata in MBI con FTO raggiunge da sola oltre il 15% di efficienza, fornendo una solida base per sovrapporla allo strato di CIGS sottostante.

Come un’attenta messa a punto sblocca alta efficienza

Semplicemente impilare una cella sopra l’altra non garantisce un pannello migliore: entrambi i sotto‑elementi devono fornire la stessa corrente elettrica quando collegati in serie, altrimenti quello più debole limiterà l’intero dispositivo. Per risolvere questo problema, i ricercatori utilizzano una ricerca numerica in due fasi per affinare lo spessore dello strato MBI in modo che la corrente proveniente dalla cella superiore e da quella inferiore corrisponda entro un margine molto piccolo. Modellano inoltre come la luce rimbalza, interferisce ed è assorbita mentre attraversa ogni strato — dal vetro di copertura e dal contatto frontale FTO, attraverso la perovskite e un connettore a base di oro molto sottile, fino al film CIGS e al contatto metallico posteriore. Allo stesso tempo, calcolano come elettroni e lacune si muovono, ricombinano e vengono raccolti, usando modelli fisici convalidati rispetto a esperimenti reali su celle singole.

Cosa rivelano le simulazioni sulla cella tandem

Con questi dettagli in posizione, il dispositivo tandem simulato utilizza uno strato MBI di circa 420 nanometri di spessore sopra uno strato CIGS di 500 nanometri. La cella superiore assorbe quasi tutta la luce con lunghezze d’onda inferiori a circa 650 nanometri, mentre i fotoni a lunghezza d’onda più lunga la attraversano e vengono catturati in modo efficiente dal CIGS. Il risultato è una densità di corrente condivisa vicino a 20 milliampere per centimetro quadrato in entrambi gli strati. Sotto assunzioni idealizzate sulla perfezione dei materiali e sulle perdite ottiche, il modello produce un’impressionante efficienza di conversione della potenza di circa il 36%. Quando gli autori introducono livelli più realistici di difetti e perdite alle interfacce, le prestazioni si assestano intorno al 30%, ancora significativamente superiori alla maggior parte dei pannelli mono‑giunzione commerciali e in linea con i migliori prototipi tandem riportati negli ultimi anni.

Perché questo approccio è importante per i pannelli solari del futuro

Per i non specialisti, il messaggio chiave è che un design intelligente — piuttosto che una fisica esotica — può spingere i pannelli solari ben oltre gli attuali limiti di efficienza. Sovrapponendo una perovskite senza piombo tarata alla luce blu sopra uno strato CIGS tarato alla luce rossa, e sostituendo l’indio scarseggiante con vetro FTO più robusto, gli autori delineano un percorso verso moduli solari più puliti, più potenti e più sostenibili. Le loro simulazioni fungono da roadmap, mostrando quali spessori degli strati, materiali dei contatti e qualità delle interfacce contano di più. Se gli scienziati dei materiali riusciranno ad avvicinarsi a queste condizioni in laboratorio e in fabbrica, pannelli solari in grado di convertire un terzo o più della luce solare in elettricità potrebbero diventare una realtà pratica, aiutando a soddisfare il fabbisogno energetico globale con meno pannelli, meno terra e minore impatto ambientale.

Citazione: Mosalanezhad, R., Shayesteh, M.R. & Pourahmadi, M. Silvaco TCAD modeling, optical simulation, and optimization for high-current perovskite and u-CIGS tandem solar cells with efficiencies above 30%. Sci Rep 16, 8611 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39816-6

Parole chiave: celle solari tandem, fotovoltaico a perovskite, sottili film CIGS, materiali solari senza piombo, simulazione di celle solari