L’energia solare potrebbe fornire, già oggi, un’alternativa ai combustibili fossili, ma l’elevato costo delle celle solari e la loro scarsa efficienza sono stati i principali ostacoli alla loro diffusione. I ricercatori di Stanford hanno scoperto che l’aggiunta di un singolo strato di molecole organiche su una cella solare può aumentare la propria efficienza di tre volte, con la possibiiltà anche di renderla meno costosa rispetto ad oggi. I loro risultati sono stati pubblicati su ACS Nano.
Il docente di Ingegneria Chimica Stacey Bent, ha deciso di dedicarsi ad un nuovo tipo di tecnologia solare due anni fa. Ha così prodotto delle celle solari che utilizzano minuscole particelle di semiconduttori, chiamati “punti quantici”, che le rendono più economiche da produrre rispetto a quelle tradizionali, in quanto possono essere realizzate con semplici reazioni chimiche.
In linea di principio, i punti quantici possono raggiungere un’efficienza molto più alta, second Bent. Ecco come funzionano: le celle solari per funzionare utilizzano l’energia del sole per eccitare gli elettroni. Gli elettroni eccitati saltano da un livello energetico più basso ad uno più alto, lasciando un “buco” dov’era l’elettrone. Le celle solari utilizzano un semiconduttore per estrarre un elettrone in una direzione, ed un altro materiale per tirare il buco nella direzione opposta. Questo flusso di elettroni e buchi in direzioni diverse porta alla corrente elettrica.
Ma ci vuole una certa energia minima per separare completamente l’elettrone e il buco. La quantità di energia richiesta è diversa a seconda dei materiali, il colore o la lunghezza d’onda della luce. Il silicio è comunemente usato per fare celle solari in quanto l’energia necessaria per eccitare i suoi elettroni corrisponde esattamente alla lunghezza d’onda della luce visibile. Ma le celle solari in un unico materiale hanno un rendimento massimo di circa il 31%, una limitazione del livello di energia fissa che possono assorbire.
I punti quantici delle celle solari non condividono questa limitazione e possono, in teoria, essere molto più efficienti. I livelli di energia degli elettroni nei semiconduttori dei punti quantici dipendono dalla loro dimensione: più piccolo è il punto, maggiore è l’energia necessaria per eccitare gli elettroni al livello successivo. Quindi i punti quantici possono essere adattati per assorbire un certa lunghezza d’onda della luce semplicemente cambiando le loro dimensioni. E possono essere usati per costruire le celle solari più complesse, che hanno più di una taglia di punti quantici, permettendo loro di assorbire più lunghezze d’onda della luce.
Grazie a questi vantaggi, Bent e i suoi studenti hanno trovato le modalità per migliorare l’efficienza delle celle solari. I ricercatori hanno rivestito un semiconduttore di biossido di titanio con celle solari a punti quantici con un sottilissimo strato singolo di molecole organiche. Queste molecole sono state auto-assemblate, il che significa che le loro interazioni le fanno affiancare in modo ordinato. I punti quantici erano presenti sull’interfaccia di questo strato organico e sul semiconduttore. Gli studenti hanno provato diverse molecole organiche, nel tentativo di apprendere quali potrebbero aumentare di più l’efficienza delle celle solari, ma hanno scoperto che non importa trovare la molecola esatta: basta avere un singolo strato organico di meno di un nanometro di spessore per triplicare l’efficienza delle celle solari.
Decisamente un risultato che ha sorpreso anche loro. Non si possono però costruire celle sproporzionate. Le molecole troppo lunghe infatti non permettono ai punti quantici di interagire bene con il semiconduttore. Infine, una volta che l’energia del sole crea un elettrone e un buco, il sottile strato organico aiuta a tenerli separati, impedendo loro di ricombinarsi in un processo che porterebbe solo allo spreco energetico. Ora il gruppo cercherà i materiali più adatti per creare un super pannello solare in grado di produrre il triplo dell’energia oggi possibile, con costi anche inferiori al mercato attuale.
[Fonte: Sciencedaily]
