L'ombra non è più un problema? Questa nuova cella solare continua a funzionare

L'ombreggiamento rappresenta uno dei principali fattori di degrado per le celle solari a film sottile. Alberi, edifici, nuvole o persino il passaggio di un uccello possono infatti coprire parte del modulo, inducendo una tensione inversa (reverse bias) che riduce la produzione di energia e, nei casi peggiori, provoca danni permanenti ai materiali attivi. Un team di ricerca della Hong Kong Polytechnic University (PolyU) ha sviluppato una nuova generazione di celle solari tandem perovskite-organiche (POTSC, Perovskite-Organic Tandem Solar Cells) progettate proprio per affrontare questo problema.

I risultati, pubblicati sulla rivista Nature Materials, mostrano dispositivi capaci di mantenere oltre il 90% dell'efficienza iniziale anche dopo l'esposizione a una tensione inversa estrema di -40 volt, un valore nettamente superiore a quello normalmente tollerato dalle attuali tecnologie fotovoltaiche a film sottile.

Le tecnologie basate su film sottili, tra cui quelle al tellururo di cadmio (CdTe), al rame-indio-gallio-seleniuro (CIGS), le celle alla perovskite e quelle organiche, sono considerate particolarmente interessanti per il loro peso contenuto, la flessibilità e i costi di produzione inferiori rispetto ai pannelli tradizionali al silicio. Tutte condividono però una criticità: quando una parte del modulo viene ombreggiata, le celle interessate possono sviluppare tensioni negative che, a causa della natura ibrida del trasporto di elettroni e ioni, compromettono progressivamente prestazioni e affidabilità.

Per comprendere l'origine del fenomeno, il gruppo guidato dal professor Li Gang ha concentrato l'attenzione sulle celle solari organiche, il cui comportamento in condizioni di reverse bias è ancora poco studiato nonostante i significativi progressi ottenuti negli ultimi anni sul fronte dell'efficienza.

L'analisi ha individuato la causa principale del degrado nei cosiddetti "deep trap states", difetti presenti all'interno dell'eterogiunzione bulk, lo strato attivo in cui avviene la generazione delle cariche elettriche. Questi difetti intrappolano gli elettroni e le lacune, riducendo il rendimento della cella e favorendo danni irreversibili durante il funzionamento in tensione inversa.

Per limitare il fenomeno, i ricercatori hanno modificato la microstruttura della miscela donatore-accettore, eliminando gli ammassi isolati del materiale accettore. Questa strategia ha ridotto sensibilmente la formazione dei "deep trap states", consentendo di ottenere celle organiche con una tensione di rottura irreversibile superiore a -35 V. In pratica, al di sotto di questa soglia la cella non subisce danni permanenti.

L'approccio si riflette anche sulle prestazioni delle celle tandem, dove lo strato organico svolge un ruolo protettivo nei confronti della perovskite. La riduzione del fenomeno del reverse tunneling, cioè del flusso inverso di corrente generato durante l'ombreggiamento, impedisce infatti che lo strato alla perovskite venga danneggiato.

Oltre a sopportare esposizioni a -40 V conservando più del 90% dell'efficienza iniziale, i dispositivi hanno evidenziato una notevole stabilità nel tempo. Dopo 12 ore di funzionamento continuo a -20 V mantengono ancora il 90% delle prestazioni iniziali, mentre dopo 2.000 ore di esercizio a -4,5 V conservano il 97% dell'efficienza originaria, valori che gli autori indicano come superiori a quelli raggiunti dalle attuali tecnologie fotovoltaiche a film sottile.

Il lavoro rappresenta anche un'evoluzione delle ricerche pubblicate dal medesimo gruppo nel 2025 su Nature Energy, quando era stata presentata una cella tandem perovskite-organica con un'efficienza di conversione del 25,9%, certificata indipendentemente al 25,1%, ottenuta grazie a una tecnica di modulazione del contatto inferiore. Nel nuovo studio, oltre al significativo incremento della robustezza nei confronti della tensione inversa, l'efficienza di conversione supera il 26%, avvicinando ulteriormente questa tecnologia a un possibile impiego in moduli fotovoltaici commerciali.

Secondo il professor Li, la stabilità dimostrata dai mini-moduli tandem in condizioni di ombreggiamento rappresenta un passo importante verso l'adozione pratica delle celle solari perovskite-organiche, offrendo indicazioni utili per lo sviluppo di dispositivi più affidabili e durevoli destinati ai futuri sistemi di produzione di energia da fonti rinnovabili.