Tra le tecnologie fotovoltaiche emergenti di maggiore interesse spiccano le celle solari in kesterite, un semiconduttore ecosostenibile basato su elementi abbondanti in natura, che mostra caratteristiche eccellenti soprattutto in termini di coefficiente di assorbimento, ovvero la capacità di assorbire la luce e di stabilità nel tempo.
I ricercatori del Dipartimento di Scienza dei materiali e del Centro MIB-SOLAR dell’Università di Milano-Bicocca, e del CNR-ISSMC hanno affrontato la sfida di produrre una cella solare efficiente e flessibile a base di kesterite, stampata tramite getto d’inchiostro. I risultati della ricerca sono riportati nell’articolo Above 10% efficiency flexible inkjet-printed kesterite solar cells pubblicato sulla rivista Journal of Energy Chemistry.
Sul fronte della transizione energetica, Giorgio Tseberlidis, ricercatore del Dipartimento di Scienza dei materiali di Milano-Bicocca, spiega le potenzialità dei supporti flessibili: «A differenza dei tradizionali pannelli solari pesanti e rigidi, integrati in un frame di vetro, i supporti flessibili risultano leggeri e sottili, come un foglio di metallo di 0,1 millimetri. La loro flessibilità li rende potenzialmente utilizzabili in una vasta gamma di applicazioni nel campo dell’alimentazione elettrica di display, sensori, componentistica per veicoli e pensiline ricurve, solo per citare alcuni esempi di fotovoltaico integrato».
La kesterite viene preparata in laboratorio, sciogliendo in un solvente stabile i vari reagenti, in particolare sali di rame, zinco e stagno. I ricercatori ottengono così una soluzione più viscosa, chiamata “ink” che viene usata come “inchiostro” per la stampante. «Si tratta di un’attrezzatura scientifica - prosegue il ricercatore Giorgio Tseberlidis - dotata di un sistema automatizzato con testina piezoelettrica che gestisce la frequenza e la dimensione delle gocce. Il braccio meccanico realizza il pattern impostato al computer; abbiamo realizzato una cella solare di 4 cm² ma la stampa a getto d'inchiostro è una tecnica promettente perché industrialmente applicabile e adatta alla lavorazione di grandi superfici».
Una volta che la stampante ha depositato il film sottile di pochi micrometri sul foglio di metallo, la lastrina inchiostrata viene inserita in un forno ad alta temperatura, in atmosfera inerte. A 580 gradi centigradi, i composti presenti originariamente nella soluzione reagiscono, formando la kesterite: un materiale economicamente conveniente e basato su elementi abbondanti in natura.
Rispetto alla tradizionale tecnica dello spin-coating, spesso usata per depositare film di kesterite, che usa la forza centrifuga del rotore ad alta velocità per distribuire lo strato di liquido, sprecandone una grande quantità, la stampante a getto d’inchiostro è invece risultata estremamente precisa nel depositare la giusta dose sulla superficie. Un vantaggio in termini di sostenibilità, senza materiali di scarto; il metodo era già stato sperimentato su dispositivi solari rigidi, con risultati incoraggianti, ma non per fabbricare celle solari flessibili a base di kesterite. Il dispositivo ottenuto dai ricercatori mostra anche una crescita dell'efficienza, grazie alla migliore cristallinità del film.
Simona Binetti, direttrice del Centro MIB-SOLAR dell’Università di Milano-Bicocca, fa il punto sullo stato della ricerca: «Analisi strutturali, morfologiche e optoelettroniche confermano la qualità superiore dell'assorbitore in kesterite depositato tramite getto d’inchiostro. Un approccio scalabile che apre la strada alla fabbricazione roll-to-roll di celle fotovoltaiche in kesterite, per applicazioni integrate e flessibili di prossima generazione. Il Dipartimento di Scienza dei materiali prosegue e consolida l’attività di ricerca condotta nel corso degli anni. Questo studio - conclude la professoressa Binetti - presenta uno dei risultati più promettenti per il fotovoltaico integrato ma la sfida non si ferma qui. Puntiamo da un lato a sviluppare soluzioni sempre più sostenibili in termini di materiali utilizzati in tutto il processo di messa a punto dei dispositivi, e dall'altro a migliorare i dati in termini di efficienza fotovoltaica che al momento, per questa nuova cella solare, si attestano sul 10,4%. Un risultato decisamente positivo per il futuro della nostra ricerca, che tuttavia richiede un'ulteriore evoluzione per garantirne la scalabilità industriale».
