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Avvolgere le celle solari attorno a una fibra ottica
Le celle solari sensibilizzate al colorante sono flessibili ed economiche da realizzare, ma tendono ad essere inefficienti nel convertire la luce in elettricità. Un modo per aumentare le prestazioni di qualsiasi cella solare è aumentare la superficie disponibile per la luce in entrata. Quindi un gruppo di ricercatori della Georgia Tech ha realizzato celle solari sensibilizzate al colorante con una superficie effettiva molto più elevata avvolgendo le celle attorno alle fibre ottiche. Queste celle solari in fibra sono sei volte più efficienti di una cella solare all'ossido di zinco con la stessa superficie e, se possono essere costruite utilizzando fibre polimeriche economiche, non dovrebbero essere significativamente più costose da realizzare.
Solare su fibra : una fibra ottica (a sinistra) è ricoperta di nanofili di ossido di zinco rivestiti di colorante (primo piano, a destra). Entrambe le immagini sono state realizzate utilizzando un microscopio elettronico a scansione.
Il vantaggio di un sistema di celle solari in fibra ottica rispetto a uno planare è che la luce rimbalza all'interno di una fibra ottica mentre viaggia lungo la sua lunghezza, offrendo maggiori opportunità di interagire con la cella solare sulla sua superficie interna e producendo più corrente. Per un dato immobile, l'area totale della cella è più alta e una maggiore superficie significa una migliore raccolta di luce e più energia, afferma Max Shtein , un assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali presso l'Università del Michigan che non era coinvolto nella ricerca.
Le celle solari in fibra ottica potrebbero anche essere utilizzate in modi che attualmente non sono possibili. Zhong Lin Wang , professore di scienza e ingegneria dei materiali presso la Georgia Tech, afferma che le celle solari in fibra occuperebbero meno area del tetto rispetto alle celle planari perché lunghe lunghezze delle fibre potrebbero essere annidate nelle pareti di una casa come i cavi elettrici.
Le celle solari sensibilizzate al colorante utilizzano molecole di colorante per assorbire la luce e generare elettroni. Il gruppo Georgia Tech rimuove prima il rivestimento dalle fibre ottiche e poi fa crescere nanofili di ossido di zinco lungo la loro superficie, come le setole di uno scovolino. Successivamente, le fibre vengono trattate con molecole di colorante, che le strutture di ossido di zinco assorbono. Il vantaggio di rivestire i nanofili, piuttosto che una superficie liscia, con il colorante è che i fili hanno collettivamente una superficie molto ampia. Più molecole di colorante ci sono su una determinata area di tale cellula, più luce può assorbire, dice Wang. Le fibre rivestite di colorante vengono quindi circondate da un elettrolita e da una pellicola metallica che trasporta gli elettroni fuori dal dispositivo. Il lavoro è descritto online nella rivista Angewandte Chemie Edizione Internazionale .
La domanda è: puoi assorbire tutta la luce usando una piccola quantità di materiali? dice Yi Cui , assistente professore di scienza dei materiali alla Stanford University. Costruire una cella nanostrutturata su una fibra ottica fornisce un modo per farlo aumentando sia la superficie coperta dal colorante che la lunghezza effettiva del percorso della luce, dice. Più a lungo un fotone viaggia attraverso una cella solare, maggiori sono le opportunità che ha di interagire e generare un elettrone.
Un potenziale ostacolo per le cellule in fibra è in primo luogo ricevere abbastanza luce al loro interno. I dispositivi di Wang raccolgono la luce solo sulle punte, quindi per ottenere abbastanza luce in una tale cella solare senza dover seguire il sole, le fibre più piccole potrebbero essere raggruppate insieme. Cui afferma che le punte delle fibre potrebbero essere realizzate con materiali molto efficaci nel dirigere la luce nella fibra. Un altro modo per superare questo problema è costruire cellule in fibra in grado di assorbire la luce per tutta la loro lunghezza, non solo sulle punte, su cui sta lavorando Shtein del Michigan. Questo è complicato, perché significa che i rivestimenti delle celle devono essere sia elettricamente conduttivi che trasparenti, una combinazione insolita.
Tuttavia, Shtein afferma che le fibre che assorbono la luce dai lati offrono un'architettura interessante per la cattura della luce, perché puoi distribuire le fibre nello spazio in un modo che ti aiuta a catturare più fotoni in modo più efficace di quanto puoi in un dispositivo planare. Più basso è l'angolo con cui la luce colpisce una cella planare, più luce si riflette sulla sua superficie. Ma la luce che si riflette sulla superficie curva di una fibra con un angolo poco profondo colpirà una fibra adiacente. Queste celle potrebbero essere progettate in modo che non sia necessario installarle con sistemi di inseguimento solare e funzionerebbero nei giorni nuvolosi quando la luce è diffusa, afferma Shtein.
Wang dice che il prossimo passo è provare materiali diversi. Finora ha costruito le celle su fibre ottiche al quarzo, che sono relativamente costose. Successivamente ha in programma di provare a realizzare le celle utilizzando fibre polimeriche più economiche.