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Efficienti celle solari a film sottile
I ricercatori del MIT hanno svelato un nuovo tipo di cella solare al silicio che potrebbe essere molto più efficiente e costare meno delle celle solari attualmente utilizzate. Professore di scienze dei materiali e ingegneria Lionel Kimerling ei suoi colleghi hanno presentato i risultati del primo prototipo di dispositivo in una recente riunione della Materials Research Society a Boston.
Intrappolatore di luce: un'immagine di microscopia elettronica a trasmissione (TEM) mostra la superficie posteriore di una cella solare di silicio spessa cinque micrometri. Gli strati alternati di silicio e biossido di silicio formano un eccellente riflettore di luce. Le creste e gli avvallamenti inviano la luce riflessa nel silicio con un angolo basso che la mantiene intrappolata all'interno del silicio per lungo tempo, aumentando l'efficienza della cella.
Il design combina un riflettore altamente efficace sul retro di una cella solare con un rivestimento antiriflesso sul davanti. Questo aiuta a intrappolare la luce rossa e nel vicino infrarosso, che può essere utilizzata per produrre elettricità, nel silicio. Il team di ricerca sta concedendo in licenza una tecnologia simile a StarSolar , una startup a Cambridge, MA.
I ricercatori hanno applicato il loro schema di intrappolamento della luce su sottili celle di silicio con uno spessore di circa cinque micrometri. Il loro prototipo di cella solare è il 15% più efficiente nel convertire la luce in elettricità rispetto alle celle solari commerciali a film sottile. Capo progetto Pietro Bermel , che è il chief technology officer di StarSolar, afferma che sofisticate simulazioni al computer suggeriscono che sono possibili guadagni molto maggiori in termini di efficienza.
Le celle solari in silicio a film sottile potrebbero essere più economiche dei dispositivi convenzionali perché utilizzano molto meno materiale. Le celle solari convenzionali utilizzano wafer di silicio con uno spessore di oltre 100 micrometri, mentre i dispositivi a film sottile hanno spessori di pochi micrometri. Ma i dispositivi a film sottile soffrono di una minore efficienza. Ciò è dovuto principalmente ai fotoni rossi e del vicino infrarosso, che non rimangono intrappolati all'interno del silicio sottile abbastanza a lungo da essere assorbiti.
Le celle solari di oggi sono supportate da uno strato di metallo, tipicamente alluminio, per riflettere la luce. Ma questo schema non funziona molto bene, e della luce all'interno della cella solare al silicio, il trenta percento viene perso ogni volta che rimbalza sul metallo.
Invece di utilizzare un supporto metallico, i ricercatori del MIT hanno progettato la superficie posteriore di una cella solare al silicio per renderla efficiente nel riflettere e intrappolare la luce. Prima incidono una serie di creste e avvallamenti, chiamati reticolo. In cima a questo depositano un cristallo fotonico, una struttura periodica composta da più strati alternati di silicio e biossido di silicio.
Il cristallo fotonico riflette la luce, mentre il reticolo rimanda questa luce nel silicio con un angolo basso. Ciò mantiene la luce che rimbalza all'interno e le impedisce di fuoriuscire. Più a lungo rimane la luce, più è probabile che venga assorbita e convertita in elettricità.
Questo lavoro dimostra l'importanza di migliorare le prestazioni delle tecnologie a film sottile, afferma Stephen Saylor, CEO di SiOnyx a Beverly, MA. SiOnyx sta adottando un approccio diverso per aumentare l'assorbimento della luce rossa e infrarossa nei sottili dispositivi al silicio. Il materiale in silicio nero dell'azienda ha una superficie con rugosità su scala nanometrica che aiuta ad assorbire tutta la luce visibile e infrarossa. Il potenziale del materiale per le celle solari non è stato ancora dimostrato.
Nel frattempo, al laboratorio di Ames ad Ames, IA, fisico Rana Biswas e i suoi colleghi stanno usando i cristalli fotonici per rendere più efficienti le celle solari in silicio amorfo. Il loro cristallo fotonico è composto da un reticolo di minuscoli cilindri di silicio all'interno di uno strato di indio-stagno-ossido. Potrebbe aumentare l'efficienza delle celle solari di un massimo del 15 percento. Ma le loro celle solari in silicio amorfo sono spesse solo 0,5 micrometri, un decimo delle dimensioni dei dispositivi del MIT. In genere, le celle solari a film di silicio amorfo richiedono molto meno materiale, quindi il costo diminuisce, afferma Biswas. Inoltre potrebbero essere depositati sulla plastica. Questo è un grande vantaggio.
I ricercatori del MIT mirano a realizzare celle solari in silicio a film sottile che siano abbastanza buone da competere con le celle solari convenzionali, afferma Bermel. Ottimizzando il cristallo fotonico e le strutture a reticolo, i ricercatori potrebbero spremere la massima efficienza dalle celle solari, aumentandola al 13%. Sarebbe paragonabile all'efficienza del 13-15 percento di alcune celle solari convenzionali.
Le celle solari sono tutt'altro che pratiche in questo momento. I ricercatori utilizzano una tecnica costosa chiamata litografia ad interferenza per realizzare il reticolo. Inoltre, gli strati alternati nel riflettore vengono depositati uno per uno, il che richiede tempo. I ricercatori devono trovare una tecnica di produzione che permetta loro di realizzare le celle solari su larga scala ea basso costo. L'ultima domanda a cui bisogna rispondere è la scalabilità, dice Saylor. Per avere un impatto reale, qualsiasi soluzione deve scalare in modo conveniente fino alla produzione di massa.
Bermel afferma che il suo team sta già considerando altri metodi di produzione. Un'opzione promettente è la litografia nanoimprint, ma non l'hanno ancora provata. Nelle simulazioni è chiaramente previsto un aumento dell'efficienza del 35%, afferma, ma la sfida è: 'Riesci a farcela praticamente?' È su questo che stiamo lavorando.