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Le celle solari microscopiche potrebbero vedere più luce solare
I ricercatori dei Sandia National Laboratories hanno ridotto le celle solari al silicio alla microscala, aprendo nuove possibilità per una maggiore efficienza.
Silicio scalante: Queste celle solari in silicio esagonali ridotte hanno un diametro compreso tra 0,25 e un millimetro. Le linee visibili su alcuni di essi sono contatti elettrici metallici.
Il silicio multicristallino, attualmente il gold standard per l'efficienza delle celle solari, è costoso e produce celle pesanti e fragili. Le microscopiche celle solari al silicio di Sandia utilizzano materiale 100 volte inferiore pur operando con la stessa efficienza.
Oltre ai costi dei materiali inferiori, la scala ridotta di queste celle significa che potrebbero essere incorporate in sistemi ottici compatti per un inseguimento e una concentrazione della luce più economici. I ricercatori potrebbero persino sospenderli in inchiostri che potrebbero essere stampati su plastica per realizzare moduli solari in silicio efficienti e flessibili.
Nei microsistemi, stai cercando cose che diventino più economiche, migliorino le prestazioni e acquisiscano nuove funzionalità, afferma Gregory Nielson, capo scienziato del progetto.
Finora, i ricercatori di Sandia hanno assemblato e testato una singola micro cella solare come prova di principio. Ma hanno iniziato a testare moduli solari funzionanti realizzati con più celle minuscole e stanno sviluppando tecniche per assemblarli in modo efficiente.
Le cellule di Sandia hanno un diametro compreso tra 0,25 e un millimetro. Il vantaggio principale della produzione di celle così piccole sarebbe la riduzione dei costi dei materiali, poiché le celle minuscole possono essere realizzate circa 10 volte più sottili di quelle convenzionali. Normalmente, le celle solari devono avere uno spessore di 100 micrometri per supportare la loro superficie, in genere di circa 15 centimetri quadrati.
Sandia produce le sue celle in silicio che è stato lavorato con metodi chimici convenzionali. I ricercatori ritagliano le cellule da questo silicio utilizzando una tecnica di incisione chimica che crea rifiuti trascurabili. Trattano la superficie del wafer per creare le proprietà elettriche necessarie per una cella funzionante, quindi la ricoprono con contatti metallici. I ricercatori hanno quindi inciso i primi 10-20 micrometri della superficie del wafer utilizzando sostanze chimiche che intaccano solo una parte particolare della struttura cristallina.
Le celle risultanti hanno uno spessore di circa 20 micrometri ma hanno la stessa efficienza delle celle convenzionali, convertendo circa il 14,9% della luce solare in energia elettrica. È anche più facile realizzare le celle a forma esagonale, che sfrutta al massimo l'area disponibile senza sprecare molto silicio. I risparmi sui materiali sono un grosso problema, afferma Nielson.
Silicio e sole: Il ricercatore di Sandia Gregory Nielson sostiene una serie di celle solari in silicio multicristallino su microscala.
Le celle solari su microscala offrono nuove possibilità per la concentrazione e il tracciamento della luce, che potrebbero aumentare ulteriormente l'efficienza delle celle. I sistemi di tracciamento convenzionali sono grandi e pesanti e devono essere mossi da motori. Una serie di micro celle solari potrebbe essere sormontata da una serie di microlenti che deve spostarsi solo di una frazione di millimetro per inseguire il sole.
Le cellule microscopiche potrebbero anche essere combinate con lenti più efficienti. Invece delle lenti di Fresnel, che sono ingombranti e catturano solo l'80% circa della luce che le colpisce, le microcelle potrebbero usare lenti rifrattive, che catturano il 90% della luce in entrata. Non è pratico utilizzare lenti rifrangenti con celle solari convenzionali perché tali lenti diventerebbero troppo costose e ingombranti alla dimensione richiesta (più grande è la lente, più lontano deve essere montata dalla superficie della cella). Ma per le celle Sandia, un array di microlenti rifrangenti potrebbe abbinare ogni dispositivo di silicio con una lente di appena pochi micrometri di diametro. Tali array sono già disponibili in commercio.
Nielson afferma che gli sviluppatori potrebbero eventualmente sospendere le celle in un liquido per creare un inchiostro che potrebbe essere stampato su substrati flessibili rivestiti con contatti elettrici per creare moduli solari flessibili.
Per le celle solari, la flessibilità di solito danneggia l'efficienza. Ad esempio, l'azienda Konarka produce celle solari flessibili da materiali organici, ma queste funzionano solo con un'efficienza del 4% circa. Riteniamo di poter utilizzare materiali ad alta efficienza per fornire la stessa flessibilità utilizzando un'area cinque volte inferiore, afferma Nielson.
Nielson si aspetta il progetto, che è finanziato attraverso il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti Programma per le tecnologie solari , per produrre moduli per uso militare (ad esempio, in tende e zaini per la raccolta di energia) in circa tre anni. Il resto del mercato solare ha requisiti di durata rigorosi, quindi potrebbero essere necessari altri anni per sviluppare moduli sufficientemente durevoli. Il laboratorio nazionale probabilmente concederà in licenza la tecnologia a un'azienda dopo che sarà diventata più matura.