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I 'tubi di luce' aumentano l'efficienza solare organica
I ricercatori della Carolina del Nord hanno sviluppato un modo per più che raddoppiare le prestazioni delle celle solari organiche aggiungendo uno strato di fibre ottiche verticali che agiscono come trappole per la luce solare.
Fibra foresta: Questo prototipo di pannello solare è ricoperto di fibre ottiche. I fotoni rimbalzano all'interno delle fibre prima di essere assorbiti e questo raddoppia l'efficienza del pannello rispetto alle normali cellule organiche.
David Carroll , professore di fisica alla Wake Forest University, ha guidato lo sviluppo di un prototipo di cella solare che incorpora le fibre. È il capo scienziato di una società spin-off chiamata FiberCell che sta sviluppando un processo di fabbricazione da bobina a bobina per produrre le celle. Siamo sul punto di avere dimostratori funzionanti che convincerebbero qualcuno a entrare in produzione con questo, ha detto Carroll .
Le migliori celle solari organiche oggi hanno un'efficienza di quasi l'8%, sebbene siano in corso sforzi per sviluppare sostanze chimiche organiche che spingerebbero l'efficienza di tali celle oltre il 10%. Ma Carroll afferma che le sostanze chimiche migliorate da sole non saranno sufficienti per raggiungere le prestazioni delle celle di silicio. La risposta non sta nella chimica, ma nell'architettura della cellula stessa, dice. Carroll aggiunge che il costo in dollari per watt della produzione di celle organiche a base di fibre dovrebbe essere all'incirca lo stesso costo delle celle organiche piatte. Ma possono essere prodotti in una fabbrica che costa un decimo di quello di una fonderia di silicio, dice. Ciò le renderebbe molto più economiche da produrre rispetto alle celle al silicio.
Il problema con le celle piatte standard, che siano fatte di un materiale organico o inorganico, è che parte della luce solare viene persa per riflessione. Per ridurre questo effetto, i produttori di celle applicano rivestimenti antiriflesso o incidono la superficie della cella per aumentare l'assorbimento dei fotoni. Il team di Carroll ha adottato un approccio più drammatico stampando fibre ottiche su un substrato polimerico che costituisce il fondamento della cellula.
Le fibre, che Carroll chiama tubi leggeri, sporgono dalla superficie come stoppie grossolane. Sono circondati da sottili celle solari organiche applicate mediante un processo di rivestimento per immersione e sulla cella viene spruzzato anche un colorante o un polimero che assorbe la luce. La luce può entrare nella punta di una fibra da qualsiasi angolazione. I fotoni poi rimbalzano all'interno della fibra fino a quando non vengono assorbiti dalla cellula organica circostante.
I ricercatori hanno testato una cella in fibra di vetro in laboratorio e hanno scoperto che la fibra aumentava l'assorbimento della luce di circa la metà. Carroll afferma che le celle possono anche produrre il doppio dei wattora nel corso di una giornata rispetto ai pannelli piatti perché possono ricevere luce da diverse angolazioni. È come prendere un dispositivo piatto e puntarlo direttamente verso il sole tutto il giorno, dice.
I ricercatori della Georgia Tech stanno sperimentando celle solari organiche simili a base di fibre. Zhong Lin Wang , professore di scienze e ingegneria dei materiali all'università, afferma che l'approccio presenta grandi vantaggi rispetto ai progetti convenzionali a celle piatte. Il suo laboratorio ha sviluppato una cella ibrida costituita da fibre ottiche e una peluria di nanofili in ossido di zinco che viene coltivato sulle pareti esterne delle fibre. I nanofili, trattati con coloranti che assorbono la luce, hanno lo scopo di fornire una maggiore superficie per catturare la luce solare. Wang afferma che questo approccio migliora l'efficienza di un fattore sei, anche se il suo laboratorio deve ancora andare oltre un singolo filo di fibra. Stiamo ancora lavorando per integrare più fibre [su una superficie più ampia], dice.
Carroll ha iniziato la sua ricerca nel 2004, dando alla Wake University un vantaggio nel percorso verso la commercializzazione. La maggior parte dei dispositivi disponibili ora sono su singole fibre, dice. Carroll afferma inoltre che sul mercato non mancano le tecniche di lavorazione roll-to-roll che potrebbero realizzare substrati ricoperti di fibre ottiche. Prenderemo in prestito da quelli; questo non è difficile da fare, dice. La sensibilità allo spessore del film e alla qualità dei rivestimenti è molto inferiore a quanto previsto, il che significa che i percorsi di produzione sono molto più vicini di quanto inizialmente previsto.
FiberCell sta attualmente parlando con gli investitori e mira a produrre le sue celle organiche a base di fibre per tegole e altri prodotti che trarrebbero vantaggio dalla capacità di accettare la luce da diverse angolazioni Se riesco a far funzionare tutto questo vicino al suo massimo, allora ho un dispositivo che dovrebbe teoricamente essere in grado di superare il 15% di efficienza, avvicinandosi al 20%, afferma Carroll. Ciò renderebbe la tecnologia fotovoltaica organica competitiva con i migliori pannelli di silicio di oggi.
John Paul Morgan , un ingegnere ottico e chief technology officer della società di pannelli solari fotovoltaici a concentrazione Morgan Solar, afferma che l'approccio FiberCell dovrà competere con altre tecniche progettate per aumentare la superficie del pannello e intrappolare più luce. Ad esempio, è stato dimostrato che la coltivazione di una foresta di nanofili strettamente raggruppati sopra un substrato migliora l'efficienza delle cellule organiche.
Le fibre ottiche sono un approccio interessante, ma come altri approcci si riduce alle sfide della fabbricazione, ha affermato Morgan. Tutte le nuove tecnologie delle celle devono affrontare problemi di umidità, connessioni elettriche, usura. Se riescono a superarli, allora questa potrebbe essere un'idea molto valida. Sono entusiasta di vedere cosa verrà dopo.