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Piccole celle solari
I ricercatori dell'Università di Harvard hanno realizzato celle solari che sono una piccola frazione della larghezza di un capello umano. Le celle, ciascuna composta da un singolo nanofilo largo appena 300 nanometri, potrebbero essere utili per alimentare minuscoli sensori o robot per il monitoraggio ambientale o applicazioni militari. Inoltre, il design di base delle celle solari potrebbe essere utile nella produzione di energia su larga scala, riducendo potenzialmente il costo della generazione di elettricità dal sole.
Nano solare: Una sezione trasversale di un nanofilo di silicio che converte la luce in elettricità. L'immagine è stata colorata per evidenziare gli strati funzionali del dispositivo. Ogni strato è realizzato in silicio modificato con un altro materiale che gli conferisce proprietà elettroniche distinte. Lo strato esterno di biossido di silicio protegge gli strati attivi interni. Quando un elettrone all'interno del nanofilo viene liberato da un fotone, lascia dietro di sé un buco positivo; lo strato blu e il nucleo rosso separano gli elettroni dai buchi. Una volta che questi sono separati, gli elettroni possono essere raccolti per creare una corrente. Lo strato giallo separa lo strato blu dallo strato rosso.
Ciascuna delle nuove celle solari è un nanofilo con un nucleo di silicio cristallino e diversi strati concentrici di silicio con diverse proprietà elettroniche. Questi strati svolgono le stesse funzioni degli strati di semiconduttore nelle celle solari convenzionali, assorbendo la luce e catturando gli elettroni per creare elettricità. Per fare le cellule, Carlo Caro, un professore di chimica all'Università di Harvard, ha modificato i metodi che aveva usato in precedenza per realizzare nanofili che potevano fungere da sensori o transistor. Ha poi dimostrato che le sue celle solari possono alimentare due dei suoi primi dispositivi a nanofili, un sensore di pH e una serie di transistor.
Questo documento fornisce il primissimo esempio di utilizzo di un singolo nanofilo di silicio per raccogliere l'energia solare, afferma Zhong Lin Wang , professore di scienza e ingegneria dei materiali presso la Georgia Tech. Definisce il lavoro di Lieber la ricerca rivoluzionaria nel campo delle nanotecnologie.
All'inizio, le celle solari a nanofili saranno molto probabilmente utili in applicazioni di nicchia in cui le loro dimensioni ridotte sono fondamentali, come sensori estremamente piccoli o robot i cui sensori ed elettronica potrebbero trarre vantaggio da una fonte di alimentazione integrata. Di recente si è parlato molto di realizzare nanomacchine e nanosistemi indipendenti, afferma Phaedon Avouris , ricercatore presso IBM Research. Il problema è sempre stato, come li alimenterai? Se vuoi avere un nanosistema indipendente che sia autonomo, che non sia collegato a un alimentatore centrale, allora hai bisogno di qualcosa del genere.
L'obiettivo finale sarebbe quello di costruire componenti elettronici in grado di autoassemblarsi in dispositivi che altrimenti non sarebbe possibile realizzare. (Lieber ha dimostrato che è possibile realizzare tali componenti da nanofili, che possono quindi essere assemblati in array regolari in soluzione.) Vorremmo incorporare memoria, un nanoprocessore, forse un sensore e una fonte di alimentazione per guidarlo, Lieber dice. Se provi a mettere insieme tutti questi pezzi con la tecnologia convenzionale, diventa piuttosto ingombrante.
Oltre ad alimentare minuscole macchine, le celle solari realizzate con cavi microscopici potrebbero essere raggruppate insieme in grandi array per sostituire i pannelli solari convenzionali sul tetto. La ricerca di Lieber è ancora in una fase iniziale, ma i suoi nuovi nanofili suggeriscono che una cella solare teorica proposta dai ricercatori del California Institute of Technology potrebbe essere praticabile. Harry Atwater , professore di fisica applicata e scienza dei materiali al Caltech, e Nathan Lewis , un professore di chimica lì, ha suggerito che le celle solari fatte di fili microscopici sarebbero molto più economiche delle celle solari convenzionali, poiché potrebbero essere realizzate con materiali meno costosi, inclusa, dice Lewis, la ruggine.
Fino ad ora, le celle solari realizzate con materiali così economici erano poco pratiche a causa di una contraddizione fondamentale nei loro requisiti di progettazione. Per essere efficienti, le celle solari devono fare bene almeno due cose. Innanzitutto, devono assorbire la luce, quindi hanno bisogno di materiali attivi abbastanza spessi che la luce non può attraversarli. Ma hanno anche bisogno di raccogliere gli elettroni liberati dai fotoni assorbiti. Per questo, i materiali estremamente sottili sono generalmente migliori; in caso contrario, gli elettroni possono rimanere intrappolati all'interno del materiale. Un modo per riconciliare questi vincoli di progettazione in competizione è quello di creare strati di materiale relativamente spessi ma utilizzare materiali estremamente puri e cristallini privi dei difetti e delle impurità che possono intrappolare gli elettroni. Tali materiali funzionano bene, ma sono costosi, mantenendo alto il prezzo dei pannelli solari.
I nanofili come quelli usati da Lieber per le sue celle solari offrono un'alternativa. I nanofili possono assorbire quantità significative di luce lungo la loro lunghezza. Allo stesso tempo, gli elettroni devono solo spostarsi per una breve distanza nel nanofilo, da uno strato concentrico di materiale all'altro, per essere raccolti. (Gli strati servono a separare gli elettroni dalle loro controparti positive, i buchi, che consentono di raccogliere gli elettroni.) Poiché i materiali sono sottili, le possibilità che un elettrone venga intrappolato da un difetto prima di sfuggire da uno strato all'altro sono basse, quindi è possibile utilizzare materiali più economici con più difetti.
Lieber ha dimostrato che i nanocavi possono effettivamente produrre elettricità, ma rimangono una serie di sfide prima che possano trovare la loro strada nelle celle solari commerciali. Lieber ha testato solo un piccolo numero di celle solari a nanofili. Per applicazioni su larga scala, i nanofili dovrebbero essere coltivati chimicamente in array densi. Atwater e Lewis hanno recentemente compiuto passi in questa direzione, pubblicando nel mese scorso due articoli in cui descrivono la crescita di fitte matrici di fili microscopici, ma fili senza gli strati multipli che hanno Lieber. Accoppiati con un elettrolita liquido, i fili generavano elettricità dalla luce. Tuttavia, poiché potrebbe rivelarsi più facile produrre celle solari a stato solido come quelle di Lieber, Lewis e Atwater stanno lavorando per produrre matrici di fili con più strati.
La limitazione più significativa del lavoro di entrambi i gruppi è la scarsa efficienza delle loro celle solari. Ad esempio, le celle di Lieber hanno convertito il 3,4% della luce in ingresso in elettricità. Anche se questo è un numero incoraggiante per le celle solari proof-of-concept in laboratorio, è ben diverso dall'efficienza di oltre il 20 percento dei pannelli solari in silicio convenzionali. Anche con il potenziale vantaggio di materiali più economici, le celle solari basate su fili dovrebbero probabilmente essere efficienti di circa il 10% se dovessero competere con la tecnologia esistente. I prossimi passi dei ricercatori includono la ricerca di modi per creare array di cavi più densi per assorbire più luce e, nel caso di Lieber, trovare modi per generare una maggiore tensione dalle celle solari a nanofili.