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Nanocristalli di silicio per celle solari superefficienti
Una tipica cella solare genera solo un elettrone per fotone di luce solare in arrivo. Si pensa che alcuni materiali esotici producano più elettroni per fotone, ma per la prima volta lo stesso effetto è stato osservato nel silicio. Ricercatori presso il Laboratorio Nazionale Energie Rinnovabili (NREL), a Golden, CO, ha dimostrato che i nanocristalli di silicio possono produrre due o tre elettroni per fotone di luce solare ad alta energia. L'effetto, dicono, potrebbe portare a un nuovo tipo di cella solare che è sia economica che più del doppio più efficiente del tipico fotovoltaico di oggi.
Silicio truccato: Una micrografia di un pezzo di silicio cristallino di sette nanometri, chiamato nanocristallo o punto quantico. Tali strutture potrebbero aumentare notevolmente l'efficienza delle celle solari.
Come in precedenti lavori con altri materiali, gli elettroni extra provengono dai fotoni della luce blu e ultravioletta, che hanno molta più energia di quelli del resto dello spettro solare, in particolare della luce rossa e infrarossa. Nella maggior parte delle celle solari, l'energia extra contenuta nella luce blu e ultravioletta viene sprecata sotto forma di calore. Ma le piccole dimensioni dei cristalli su scala nanometrica, chiamati anche punti quantici, portano a nuovi effetti quantomeccanici che invece convertono questa energia in elettroni.
Generando più elettroni da fotoni ad alta energia, le celle solari fatte di nanocristalli di silicio potrebbero teoricamente convertire più del 40% dell'energia della luce in energia elettrica, afferma Arthur Nozik, un ricercatore senior presso NREL. Al contrario, i pannelli solari per tetti piatti di oggi hanno un'efficienza di poco superiore al 20% e teoricamente sono limitati a circa il 30% di efficienza. La concentrazione della luce solare con specchi o lenti potrebbe aumentare questa cifra a circa il 40%, ma lo stesso approccio potrebbe aumentare l'efficienza di una cella solare a nanocristalli di silicio a ben oltre il 60%, afferma Nozik.
Inoltre, le celle solari realizzate con nanocristalli di silicio potrebbero rivelarsi economiche, offrendo loro un vantaggio significativo rispetto ad altri approcci alle celle solari ad alta efficienza. Ad esempio, le celle multigiunzione avanzate hanno mostrato efficienze superiori al 40%. Ma questi richiedono processi di produzione complicati che combinano costosi semiconduttori ottimizzati per diverse parti dello spettro solare. I nanocristalli di silicio, al contrario, sono relativamente facili da realizzare, anche rispetto al materiale delle celle solari convenzionali, le migliori delle quali sono costituite da singoli cristalli di silicio molto grandi.
I nanocristalli di silicio hanno anche notevoli vantaggi rispetto agli altri materiali di nanocristalli che hanno mostrato l'effetto multielettrone. Alcuni di questi materiali contengono elementi tossici come piombo o cadmio e altri si basano su elementi come l'indio che sono in quantità limitata. Ma il silicio è sia sicuro che abbondante. È anche ben studiato, dice Christiana Honsberg , professore di ingegneria elettrica e informatica presso l'Università del Delaware, così gli ingegneri sanno come lavorarci per realizzare celle solari. In effetti, per molte delle stesse ragioni, il silicio è di gran lunga il materiale più comune nelle celle solari oggi ed è attraente come base per una più ampia diffusione del fotovoltaico in futuro.
Prima del lavoro NREL, i ricercatori avevano creduto che i cristalli di silicio abbastanza piccoli da produrre l'effetto multielettronico sarebbero stati poco pratici come materiale fotovoltaico. Su scala nanometrica, le proprietà ottiche del silicio cambiano in modo che converta meno luce dall'estremità rossa dello spettro in elettroni. Di conseguenza, qualsiasi guadagno derivante dalla conversione più efficiente della luce blu e ultravioletta verrebbe compensato. Nozik e i suoi colleghi hanno scoperto che i nanocristalli non dovevano essere così piccoli come si pensava in precedenza, aggirando questo problema.
A dire il vero, il lavoro NREL è solo un primo passo. Realizzare celle solari che sfruttano la generazione di multielettroni è una sfida. Questo perché gli elettroni in più hanno una vita molto breve, il che rende difficile estrarli dai nanocristalli per generare una corrente elettrica. In effetti, questo si è rivelato così difficile che la prova dell'effetto è arrivata da metodi indiretti come la spettroscopia piuttosto che dalla corrente generata da una cella solare. L'uso delle misure indirette ha portato alcuni eminenti esperti a chiedersi se gli elettroni extra vengano effettivamente prodotti, sebbene Nozik affermi che l'effetto è stato confermato utilizzando più tecniche. Nozik e i suoi colleghi stanno ora lavorando per realizzare celle solari con nanocristalli di silicio - stanno esplorando una serie di nuovi progetti - e afferma di aver recentemente effettuato misurazioni dirette che indicano che le loro celle rilasciano più elettroni per fotone assorbito. (I loro risultati devono ancora essere pubblicati.)
Honsberg è cautamente ottimista, definendo una svolta la scoperta dell'effetto multiplo di elettroni nei nanocristalli di silicio, ma solo una svolta su forse tre o quattro è stata necessaria per produrre celle solari economiche e superefficienti.