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Rendere il silicio meno riflettente
Le celle solari al silicio riflettono circa un terzo della luce che potrebbero potenzialmente convertire in elettricità. Un nuovo rivestimento nanostrutturato sviluppato dai ricercatori del Rennselaer Polytechnic Institute (RPI), a Troy, NY, riduce questi riflessi solo al 4%. Professore di fisica applicata Shawn-Yu Lin e i suoi colleghi calcolano che il rivestimento potrebbe aumentare l'efficienza di una cella solare al silicio per convertire la luce in elettricità di quasi il 43%. Hanno presentato i loro risultati in un 29 ottobre Lettere di ottica carta.
Nessuno specchio: Un rivestimento antiriflesso a sette strati dello spessore di 700 nanometri su un wafer di silicio riduce il riflesso della luce solare che entra a quasi tutte le lunghezze d'onda e gli angoli. Il rivestimento potrebbe aumentare l'efficienza delle celle solari al silicio.
Il nuovo rivestimento fornisce antiriflesso per la luce solare che entra da quasi tutti gli angoli e tutte le lunghezze d'onda della luce solare, afferma Lin. È una struttura spessa 700 nanometri di diversi strati di materiale che i ricercatori coltivano su un wafer di silicio. Il rivestimento multistrato riduce il riflesso delle lunghezze d'onda visibili e del vicino infrarosso che il silicio può convertire in elettricità.
I produttori di celle solari utilizzano attualmente un sottile strato di nitruro di silicio per ridurre i riflessi. Ma lo strato elimina il riflesso di una gamma molto ristretta di lunghezze d'onda: il suo spessore determina la gamma. Un altro problema è che funziona bene solo per la luce che entra da determinate angolazioni. I wafer di silicio rivestiti con nitruro di silicio riflettono quasi il 20 percento della luce utile che cade su di essi.
Lin e i suoi colleghi avevano precedentemente progettato un rivestimento simile per il nitruro di alluminio, utilizzato per realizzare diodi emettitori di luce. Il nuovo rivestimento, invece, è studiato appositamente per il silicio, il materiale ampiamente utilizzato nelle celle solari. Il rivestimento ha sette strati: i due inferiori sono fatti di titanio, i tre centrali di diverse miscele di silice e titanio e i due superiori di barre di silice inclinate su scala nanometrica.
La riflessione all'interfaccia tra due materiali, in questo caso aria e silicio, dipende dalla differenza tra i loro indici di rifrazione, ovvero la capacità del materiale di piegare la luce. Riducendo la differenza si riduce la riflessione. L'aria ha un indice di rifrazione di 1, mentre quello del silicio è 3.5. I ricercatori usano gli strati per abbattere questo divario in passaggi più piccoli. Lo strato superiore di nanotubi di silice ha un indice di 1,09 e, scendendo, ogni strato ha un indice progressivamente maggiore. La disposizione sequenziale della nanostruttura multistrato consente alla luce solare di atterrare dolcemente sulla cella solare, afferma Lin. La luce si piega gradualmente sempre di più mentre attraversa ogni strato, e una quantità minore di essa viene riflessa nell'aria.
I ricercatori depositano i nanotubi di silice inclinati nei due strati superiori tenendo il wafer inclinato. Controllando gli angoli dei nanotubi, i ricercatori controllano la porosità del materiale, creando strati con indici di rifrazione estremamente bassi.
Lin e il suo gruppo all'RPI non sono gli unici a lavorare sul problema. Peng Jiang , un professore di ingegneria chimica presso l'Università della Florida, sta realizzando rivestimenti antiriflesso incidendo la superficie del silicio, creando una serie di minuscoli pilastri di silicio alti meno di 300 nanometri. I nostri migliori campioni riflettono meno dell'1% della luce, quindi la superficie appare completamente scura, afferma Jiang. Il suo lavoro ha suscitato l'interesse dei produttori europei di celle solari e ora sta creando una società di avvio per produrre il rivestimento su scala più ampia.
Lin afferma che il rivestimento aumenterebbe il costo di una cella solare di alcuni punti percentuali, non più di quanto contribuiscono gli attuali strati di nitruro di silicio. I ricercatori stanno ora progettando di realizzare rivestimenti più robusti adatti all'uso con celle solari.