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Celle solari Origami
Un modo per spremere più energia dalla luce solare è assicurarsi che colpisca sempre un pannello solare con l'angolazione ideale. Ciò significa inseguire il sole e manovrare un pannello per affrontarlo, oppure utilizzare un'ottica complessa per reindirizzare i raggi del sole per colpire la superficie del pannello dall'alto.
Silicone pieghevole: In queste immagini, tre sottili film di silicio si piegano in forme 3D sotto la forza della tensione superficiale mentre le goccioline d'acqua poste al loro centro evaporano. La riga in alto mostra il primo passaggio, quando le gocce d'acqua sono grandi e le immagini sottostanti mostrano una progressione temporale man mano che le gocce d'acqua si restringono.
I ricercatori dell'Università dell'Illinois hanno ora escogitato celle solari sferiche autoassemblanti in grado di catturare più luce solare rispetto a quelle piatte. La forma è un modo più semplice per sfruttare maggiormente i raggi del sole, ma è stato difficile da realizzare in una cella solare. Queste nuove celle solari su microscala sono realizzate utilizzando la litografia convenzionale combinata con l'autoassemblaggio. Se si rivelano pratici, i dispositivi potrebbero essere cablati in grandi array che hanno la stessa potenza delle celle convenzionali, ma che consentono di risparmiare sui costi dei materiali utilizzando meno silicio.
Invece di una grande lastra di semiconduttore dotata di lenti concentranti e motori per spostarla, vogliamo realizzare celle compatte che abbiano ancora una potenza significativa, afferma Ralph Nuzzo , professore di chimica all'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign.
Le superfici curve catturano più luce di quelle piatte perché hanno una superficie maggiore. Ma realizzare celle solari curve o sferiche è impegnativo, afferma Nuzzo, perché le tecniche utilizzate per elaborare materiali semiconduttori come il silicio funzionano meglio su superfici piane. Il gruppo di Nuzzo ha superato questo problema realizzando strutture 3-D in microscala che si autoassemblano da lastre piane.
I ricercatori dell'Illinois iniziano trattando la superficie di un sottile wafer di silicio di alta qualità e utilizzando la litografia convenzionale per incidere una forma sottile e bidimensionale. Per creare una sfera, i ricercatori hanno tagliato il silicio a forma di fiore. Quindi usano un adesivo per fissare un piccolo pezzo di vetro all'interno. Il vetro aiuta la struttura a mantenere la sua forma una volta assemblata. Alla fine, quando una goccia d'acqua posta al centro della forma del fiore evapora, la tensione superficiale tira i suoi petali verso l'alto, eventualmente riunendoli per formare una sfera.
La sfida in questo è, come fai a far sì che le cose seguano la sequenza di passaggi necessaria per piegare nella forma desiderata? dice Nuzzo. Il gruppo dell'Illinois ha ideato modelli matematici per aiutare a prevedere le proprietà meccaniche dei fogli di silicio di diverse forme e spessori, nonché il modo in cui interagiscono con l'acqua, che può essere regolata trattando chimicamente le loro superfici.
Il gruppo di Nuzzo ha utilizzato le tecniche per realizzare celle solari sferiche microscopiche funzionanti, come prova della funzionalità di quelli che lui chiama materiali origami. Prima di tagliare il silicio a forma di petalo, il team lo ha trattato per formare le regioni conduttive che fanno funzionare una cella solare. Dopo che il fiore si è piegato in una sfera, sono stati aggiunti contatti elettrici. Il gruppo ha utilizzato una tecnica simile anche per realizzare celle micro-solari cilindriche.
Questi dispositivi convertono solo l'1% circa della luce che li colpisce in elettricità, un rendimento scarso per una cella solare, ma questo è meglio di una cella solare planare realizzata utilizzando le stesse tecniche relativamente grezze utilizzando la stessa quantità di silicio. I ricercatori affermano che la tecnica può essere applicata ad altri materiali oltre al silicio e potrebbe essere utilizzata per creare nuove forme di celle solari. Il lavoro è descritto online questa settimana nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .
La piegatura è molto allettante perché puoi creare forme tridimensionali fantastiche e complicate, dice George Barbastathis , professore di ingegneria meccanica al MIT.
Esistono altri modi per migliorare la capacità delle celle solari di catturare la luce, come i rivestimenti antiriflesso e la strutturazione della superficie. Il vantaggio principale del nuovo approccio è che richiede meno materiale, afferma Nuzzo. Le celle solari planari spesse solo pochi micrometri non possono essere testurizzate: semplicemente non c'è abbastanza materiale. E i rivestimenti antiriflesso aggiungono più costi di produzione e complessità. L'autoassemblaggio, spera Nuzzo, potrebbe offrire un'alternativa.
Il gruppo dell'Illinois ora lavorerà per migliorare il processo e realizzerà progetti che migliorino ulteriormente la gestione della luce delle celle. Vogliamo portare avanti fattori di forma che si basano su materiali ad alte prestazioni come il silicio, ma forniscono un'economia sostanziale utilizzando il minor numero possibile di questi materiali costosi, afferma Nuzzo.