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La chiave per celle solari migliori: specchi irregolari
Le celle solari a film sottile sensibilizzate al colorante sono più economiche da realizzare rispetto alle celle al silicio convenzionali, ma sono ancora relativamente inefficienti.
Nanodomi: Una serie di cupole di quarzo larghe 600 nanometri e alte 200 nanometri (in alto) viene pressata in una sottile pellicola di biossido di titanio per imprimere fori nella pellicola (in basso). Riempire i fori con l'argento aiuta a intrappolare più luce all'interno delle celle solari a base di colorante.
Ora i ricercatori della Stanford University hanno utilizzato un riflettore metallico appositamente progettato per aumentare l'efficienza delle celle solari sensibilizzate con colorante a elettrolita solido fino al 20%. Il riflettore è una sottile pellicola d'argento con una serie di protuberanze su scala nanometrica. I ricercatori usano il film per rivestire la superficie posteriore delle cellule; il film aiuta a intrappolare più luce all'interno delle cellule. Otteniamo dal 5 al 20% in più di assorbimento a seconda del colorante, afferma Michael McGehee , direttore del Center for Advanced Molecular Photovoltaics di Stanford. McGehee ha guidato la ricerca, che è stata pubblicata online questa settimana sulla rivista Materiali energetici avanzati .
Le celle a film sottile sensibilizzate al colorante con un'efficienza di conversione da luce a elettricità di circa l'11% hanno recentemente fatto il loro debutto commerciale. Tuttavia, utilizzano elettroliti liquidi che sono volatili e potrebbero fuoriuscire. Le celle con elettroliti solidi hanno mostrato efficienze solo di circa il 5%.
Hanno preso la migliore cella colorante a stato solido che potevano e l'hanno resa migliore, dice David Ginger , professore di chimica all'Università di Washington, dei ricercatori di Stanford. Ancora meglio, lo hanno fatto utilizzando tecnologie e metodi potenzialmente utilizzabili in un ambiente di produzione.
Le celle solari a base di colorante sono composte da nanocristalli semiconduttori (tipicamente biossido di titanio o titania) che sono rivestiti con molecole di colorante e inseriti, insieme a un elettrolita, tra fogli di vetro o plastica. Il colorante assorbe la luce e crea elettroni e lacune caricate positivamente. I cristalli trasferiscono gli elettroni a un elettrodo per produrre una corrente elettrica, mentre l'elettrolita porta i fori all'altro elettrodo.
Tuttavia, gli elettroliti solidi non sono efficienti quanto quelli liquidi e gli elettroli e le lacune si ricombinano più facilmente. Per evitare ciò, lo strato di titanio è molto sottile, in genere due micrometri. Ma più sottili sono le cellule, più rapidamente la luce le attraversa senza essere assorbita. Gli sforzi di ricerca per migliorare l'efficienza di queste cellule si sono in genere concentrati sullo sviluppo di coloranti più forti e nuovi tipi di nanocristalli. Ma McGehee e i suoi colleghi hanno usato riflettori plasmonici per migliorare l'efficienza delle loro cellule.
I plasmoni sono le oscillazioni degli elettroni su una superficie metallica quando sono eccitati dalla luce. Controllando la forma della superficie, puoi controllare il tipo di plasmoni creati, che a sua volta influenza il modo in cui la luce interagisce con il materiale.
Il riflettore realizzato a Stanford ha delle protuberanze che creano plasmoni, che trasformano alcuni dei raggi di luce in arrivo di 90 gradi. Quindi, invece di rimbalzare sull'argento e tornare fuori dalla cella, più luce si disperde avanti e indietro all'interno della cella, dando al colorante un tempo più lungo per assorbirlo.
I ricercatori hanno realizzato i loro dispositivi rivestendo il vetro con un elettrodo conduttivo trasparente su cui hanno depositato uno strato di nanoparticelle di titania. Quindi hanno preso un pezzo di quarzo coperto da cupole larghe 600 nanometri e lo hanno premuto nella titania, effettivamente goffrandolo con piccoli fori. Infine, hanno aggiunto strati di colorante e argento.
Questa è la prima volta che le strutture plasmoniche sono state applicate a celle solari sensibilizzate con coloranti allo stato solido, con un sostanziale aumento dell'efficienza delle celle riportato, afferma Kylie Catchpole , ricercatore presso l'Australian National University. Catchpole utilizza la plasmonica che intrappola la luce per aumentare l'efficienza di altri tipi di celle solari a film sottile.
C'è ancora molto lavoro da fare prima che la tecnologia arrivi sul mercato, afferma Martin Green , che lavora al fotovoltaico che intrappola la luce presso l'Università del New South Wales. Green afferma che le cellule sensibilizzate al colorante hanno suscitato un enorme interesse da parte della comunità accademica, ma hanno avuto un [poco] impatto commerciale a causa della bassa efficienza e della dubbia durata rispetto alle celle commerciali. Le celle a elettrolita liquido sono entrate nel mercato, ma Green è scettico anche sulle loro prospettive.
McGehee, tuttavia, è fiducioso che saranno possibili efficienze sufficientemente elevate. I ricercatori stanno ora cercando di creare riflettori con protuberanze di diverse dimensioni, altezze, spaziatura e modelli. Modificando questi fattori, dovrebbero essere in grado di aumentare la quantità di luce che le cellule assorbono. Potrebbero anche esplorare diversi coloranti. Sembra esserci sicuramente un percorso chiaro per aumentare l'efficienza di oltre il 20 percento, afferma.