EPFL, CSEM e i loro partner internazionali portano le celle perovskite-silicio a tripla giunzione oltre una soglia utile per industria, spazio e reti

Il fotovoltaico di nuova generazione non avanza soltanto per accumulo di piccoli miglioramenti incrementali. In alcuni passaggi della sua evoluzione procede per architetture, cioè per nuovi modi di impilare materiali, distribuire la luce, gestire le perdite elettriche e rendere industrialmente credibili soluzioni che per anni sono rimaste confinate al laboratorio. È in questa prospettiva che va letto il risultato ottenuto da EPFL e CSEM: una cella solare a tripla giunzione perovskite-silicio ha raggiunto un’efficienza certificata in modo indipendente pari al 30,02 per cento, superando il precedente riferimento certificato del 27,1 per cento.

Il dato, pubblicato su Nature e comunicato il 18 marzo 2026, riguarda un dispositivo composto da una cella inferiore in silicio, sulla quale sono depositate due celle sottili in perovskite. La logica è quella delle celle multi-giunzione: non chiedere a un solo materiale di convertire l’intero spettro solare, ma assegnare a ciascun livello una parte diversa della radiazione. In questo modo la luce viene utilizzata in modo più selettivo e le perdite energetiche possono essere ridotte. La novità non consiste soltanto nell’avere superato una soglia simbolica, ma nell’averlo fatto con materiali e processi che puntano a una manifattura più accessibile rispetto alle celle III-V usate soprattutto nello spazio.

Il gruppo del Photovoltaics and Thin-Film Electronics Laboratory della School of Engineering dell’EPFL, insieme al CSEM, ha lavorato su un punto chiave del settore: avvicinare prestazioni molto elevate senza ereditare i costi delle tecnologie più pregiate. Le celle III-V multi-giunzione possono arrivare fino al 37 per cento di efficienza, ma sono costruite con più strati semiconduttori costosi e, secondo quanto indicato dai ricercatori, possono costare circa mille volte di più per watt rispetto alle celle terrestri convenzionali. La sfida industriale è dunque doppia: aumentare il rendimento e, al tempo stesso, mantenere una traiettoria di costo compatibile con applicazioni terrestri su larga scala.

“Dimostriamo che, con una progettazione e una lavorazione intelligenti, possiamo avvicinarci a livelli di prestazione tradizionalmente riservati alle più costose celle solari multi-giunzione III-V utilizzate nello spazio, composte da più strati semiconduttori. Queste possono raggiungere fino al 37 per cento di efficienza e costare circa mille volte di più per watt rispetto alle celle terrestri. Il nostro approccio apre la strada a una nuova generazione di fotovoltaico multi-giunzione ad alta efficienza e industrialmente praticabile”,

ha dichiarato Kerem Artuk, primo autore dello studio, già dottorando all’EPFL e oggi al CSEM.

Tre giunzioni per catturare più spettro solare

Una cella fotovoltaica tradizionale in silicio ha rappresentato per decenni il pilastro dell’industria solare. Il suo successo deriva da una combinazione difficile da replicare: disponibilità del materiale, affidabilità, catene produttive mature e costi scesi grazie alla scala globale. Ma il silicio, come ogni materiale semiconduttore, ha limiti fisici nella conversione della luce. Le architetture tandem e multi-giunzione nascono proprio per superarli, accoppiando materiali con bande proibite diverse e quindi capaci di assorbire in modo più efficace porzioni differenti dello spettro.

Nel dispositivo sviluppato in Svizzera, la cella inferiore in silicio assorbe la parte della luce più adatta alle sue proprietà, mentre le due celle superiori in perovskite lavorano come film sottili depositati sopra il substrato. La perovskite, in questo contesto, non è un singolo materiale, ma una famiglia di semiconduttori con proprietà ottiche ed elettroniche regolabili attraverso la composizione chimica. Questa flessibilità è una delle ragioni del suo interesse industriale: permette di progettare strati con assorbimenti complementari, senza dover abbandonare del tutto la piattaforma produttiva del silicio.

Il risultato del 30,02 per cento è rilevante anche perché segna un salto rispetto alla prima dimostrazione del gruppo, che nel 2018 aveva raggiunto il 13 per cento. In meno di un decennio, la traiettoria sperimentale è passata da una prova iniziale a una configurazione capace di superare il 30 per cento in modo certificato. Questo non significa che la tecnologia sia già pronta per il tetto di casa o per un impianto utility scale, ma indica che l’architettura ha margini reali di sviluppo. Christophe Ballif, responsabile del PV-Lab, ha sottolineato che le celle a tripla giunzione hanno un potenziale di efficienza superiore rispetto alle celle a singola giunzione e anche rispetto ai tandem, con valori teorici e progettuali ben oltre il 40 per cento.

“La nostra prima dimostrazione nel 2018 aveva soltanto il 13 per cento di efficienza, quindi arrivare oggi oltre il 30 per cento in un dispositivo a tripla giunzione è un risultato notevole. Le celle solari a tripla giunzione hanno un potenziale di efficienza ancora più alto rispetto alle celle a singola giunzione e ai tandem, ben al di sopra del 40 per cento”,

ha spiegato Christophe Ballif, responsabile del PV-Lab.

Il nodo era ridurre difetti, perdite e luce sprecata

La ricerca ha affrontato due limiti tipici delle celle a tripla giunzione perovskite-silicio: la bassa tensione nella cella superiore in perovskite e la ridotta generazione di corrente nella cella intermedia. Sono problemi tecnici, ma hanno un significato industriale molto concreto. Ogni difetto nella crescita cristallina può trasformarsi in una perdita di carica; ogni porzione di spettro non assorbita correttamente riduce la corrente; ogni disallineamento ottico tra gli strati compromette il vantaggio dell’architettura.

Il gruppo ha introdotto tre modifiche principali. La prima riguarda una molecola capace di guidare la formazione dei cristalli di perovskite e di eliminare difetti. Questo intervento ha permesso alla cella superiore di generare una tensione più elevata, pari a 1,4 volt sotto illuminazione solare. La seconda innovazione è un metodo di fabbricazione in tre passaggi per la cella intermedia, progettato per migliorare l’assorbimento della luce nella regione del vicino infrarosso. La terza consiste nell’inserimento di nanoparticelle tra la cella inferiore in silicio e quella intermedia in perovskite, così da riflettere ulteriore luce verso lo strato centrale e aumentare la corrente prodotta.

Questi dettagli mostrano perché l’innovazione fotovoltaica contemporanea non sia più soltanto una questione di “nuovo materiale”. Conta la chimica delle interfacce, ma conta anche l’ingegneria ottica. Conta la deposizione del film sottile, ma conta altrettanto la gestione dei fotoni che attraversano strati con spessori, indici di rifrazione e funzioni diverse. In una tripla giunzione, il rendimento finale è il risultato di un equilibrio delicato: se uno strato produce meno corrente degli altri, l’intero dispositivo ne risente.

La presenza di celle da 1, 4 e 54 centimetri quadrati nelle immagini diffuse dal laboratorio indica anche un passaggio di scala sperimentale. Non si tratta ancora della dimensione di un modulo commerciale, ma è un segnale importante: una tecnologia fotovoltaica credibile deve poter uscire dalla micro-area di laboratorio e dimostrare una continuità di processo su superfici progressivamente più grandi. È qui che entra in gioco il ruolo del CSEM, orientato al trasferimento tecnologico e alla scalabilità industriale.

Dallo spazio alle reti terrestri, cambia il costo atteso

Il confronto con le celle III-V è uno dei passaggi più interessanti della vicenda. Nello spazio, dove ogni grammo, ogni watt e ogni centimetro quadrato hanno un valore elevatissimo, il costo per watt può essere molto più alto rispetto alle applicazioni terrestri. I satelliti richiedono efficienze elevate, resistenza e affidabilità in condizioni estreme. Sulla Terra, invece, la competizione si gioca su costo, durata, producibilità, integrazione con moduli, inverter, accumulo e reti elettriche. Per questo motivo una tecnologia che avvicina le prestazioni delle celle spaziali con materiali più economici potrebbe modificare il perimetro delle applicazioni ad alta efficienza.

Le celle III-V continueranno ad avere un ruolo nei segmenti più esigenti, ma il risultato EPFL-CSEM suggerisce un’altra traiettoria: usare le perovskiti per portare parte di quelle prestazioni verso dispositivi più accessibili. La prospettiva riguarda sia applicazioni terrestri sia spaziali. Nel primo caso, l’interesse è legato alla possibilità di generare più energia a parità di superficie, un fattore rilevante per tetti urbani, impianti in aree vincolate, infrastrutture integrate e sistemi con spazio limitato. Nel secondo caso, il tema è ridurre il costo di alcune piattaforme fotovoltaiche senza rinunciare a rendimenti elevati.

Non bisogna però confondere un record di cella con un prodotto commerciale. Il mercato fotovoltaico valuta una tecnologia su parametri più severi: stabilità nel tempo, resistenza all’umidità, comportamento termico, compatibilità con incapsulanti e vetri, disponibilità dei materiali, ripetibilità dei processi e rendimento su larga area. Le perovskiti hanno compiuto progressi notevoli, ma la durabilità resta una delle questioni più osservate dagli industriali. Per questo il lavoro successivo indicato dal gruppo riguarda il scale-up manifatturiero, i test di stabilità e l’integrazione in prodotti futuri. Secondo analisti del settore,

“il valore industriale di una cella a tripla giunzione non si misura soltanto sul picco di efficienza, ma sulla sua capacità di entrare in linee produttive controllabili, ripetibili e compatibili con la filiera del silicio. Una tecnologia di questo tipo diventa interessante quando l’aumento di rendimento compensa complessità aggiuntive, costi di processo, rischi di degrado e necessità di nuovi controlli qualità lungo tutta la catena del modulo”.

La filiera svizzera punta sul trasferimento tecnologico

Il progetto è anche un esempio di innovazione collaborativa. Oltre a EPFL e CSEM, la ricerca ha coinvolto contributi da Fraunhofer ISE e University of Freiburg in Germania, Empa in Svizzera, Northwestern University negli Stati Uniti, Helmholtz-Zentrum Berlin, University of Queensland in Australia, University of Potsdam, Arizona State University, ALBA Synchrotron in Spagna, University of Groningen nei Paesi Bassi ed EPFL Valais-Wallis. È una rete ampia, coerente con la natura del problema: le celle multi-giunzione richiedono competenze in fisica dei semiconduttori, chimica dei materiali, microscopia, caratterizzazione ottica, ingegneria dei processi e affidabilità.

Il finanziamento ha coinvolto programmi europei come Horizon TRIUMPH e VIPERLAB, il Fonds Électricité Vitale Vert dei Services Industriels de Genève, la Segreteria di Stato svizzera per la formazione, la ricerca e l’innovazione, l’Ufficio federale dell’energia e il Fondo nazionale svizzero. Anche questo aspetto è significativo: il fotovoltaico avanzato è una tecnologia energetica, ma è anche una politica industriale. Chi domina materiali, processi e brevetti delle prossime architetture solari può incidere su catene del valore oggi fortemente concentrate e sottoposte a pressioni geopolitiche.

La Svizzera non compete con i grandi produttori globali sul volume dei moduli standard, ma può giocare una partita rilevante nella ricerca applicata, nella strumentazione, nella metrologia, nel trasferimento verso l’industria e nella specializzazione su soluzioni ad alto valore. In questo senso, la collaborazione fra un laboratorio accademico come l’EPFL e un centro orientato all’industrializzazione come il CSEM è un modello ricorrente dell’innovazione svizzera: scienza fondamentale, ingegneria di precisione e validazione sperimentale procedono insieme.

“Questo progetto illustra la forza della combinazione tra scienza fondamentale e know-how ingegneristico svizzero. Dimostrando che materiali perovskitici a basso costo possono avvicinarsi alle prestazioni del fotovoltaico spaziale più avanzato, questa ricerca stabilisce un nuovo riferimento per il fotovoltaico multi-giunzione”,

ha dichiarato Christian Wolff, team leader dell’EPFL.

La curiosità tecnica, in fondo, è che il superamento del 30 per cento non dipende da un singolo “trucco”, ma da una somma di correzioni mirate. Una molecola che ordina meglio i cristalli. Un processo in tre fasi che aiuta la cella intermedia ad assorbire più luce. Nanoparticelle che rimandano i fotoni dove servono. È una lezione utile anche oltre il fotovoltaico: le tecnologie mature evolvono quando materiali, interfacce e architetture vengono progettati come un sistema unico, non come componenti separati.

Per il settore solare, il messaggio è prudente ma netto. Il silicio resta la base produttiva dominante, mentre le perovskiti continuano ad avanzare come piattaforma complementare per aumentare il rendimento. La tripla giunzione EPFL-CSEM non chiude la partita commerciale, ma rafforza una direzione: il futuro dell’energia solare potrebbe non essere una sostituzione secca del fotovoltaico esistente, bensì un’integrazione progressiva di nuovi strati funzionali sopra l’infrastruttura industriale già costruita. È in questo spazio, tra record di laboratorio e fabbrica, che si giocherà la prossima fase dell’innovazione solare.

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