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Spingere le celle solari in plastica
Le celle solari in plastica sono leggere, flessibili e, soprattutto, economiche da realizzare. Ma finora, questi dispositivi sono stati troppo inefficienti per competere con le celle solari al silicio per la maggior parte delle applicazioni. Ora i ricercatori di alcune istituzioni affermano di aver realizzato celle solari polimeriche con efficienze da record. Queste celle non sono ancora abbastanza buone per competere con il silicio, ma l'efficienza dei polimeri è aumentata a un tasso di circa l'1% all'anno. Se riusciranno a continuare così, affermano i ricercatori, le celle solari in plastica entreranno in competizione con il silicio entro pochi anni.
Polimeri potenti: Questa illustrazione mostra i diversi strati che compongono una nuova cella solare in plastica con un'efficienza interna quasi perfetta. Dal basso verso l'alto, gli strati sono di vetro, un elettrodo trasparente, due strati di polimero, uno strato di ossido di titanio che ridistribuisce la luce e un elettrodo di alluminio.
Questa settimana, nell'edizione online di Fotonica della natura , i ricercatori hanno riferito di celle solari polimeriche che convertono circa il 6,1% dell'energia della luce solare in elettricità, avvicinandosi leggermente al 10% che secondo loro sarà necessario per ottenere un punto d'appoggio significativo nel mercato. (Le celle di silicio convenzionali hanno un'efficienza del 15% circa.) I nuovi numeri sull'efficienza mostrano che siamo in gioco, afferma Alan Heeger , professore di fisica all'Università della California, Santa Barbara, che ha guidato la ricerca. Heeger ha condiviso il Premio Nobel per la Chimica nel 2000 per il suo ruolo nello sviluppo dei primi polimeri conduttori, ed è cofondatore e capo scienziato presso Konarka , una società di celle solari in plastica con sede a Lowell, MA.
I risultati dei ricercatori della California si confrontano molto favorevolmente con le precedenti descrizioni pubblicate di celle solari polimeriche, la cui efficienza si è aggirata intorno al 5%. Konarka afferma che le celle dell'azienda, che utilizzano materiali diversi rispetto alle celle prodotte nel laboratorio universitario di Heeger, sono state recentemente valutate a circa il 6,4%. E un concorrente a San Mateo, in California, chiamato Energia solare ha realizzato celle di plastica con efficienze simili, secondo un ricercatore affiliato.
Le celle solari in plastica, per quanto ben progettate, hanno limiti intrinseci dettati dai polimeri che compongono il loro strato attivo. I polimeri prodotti finora possono assorbire solo bande di luce relativamente strette. È possibile aumentare la loro efficienza di conversione dell'energia impilando film di polimeri progettati per raccogliere diverse bande di luce; Il gruppo di Heeger ha, infatti, avuto un certo successo con questo in passato. Ma questo approccio ha un grosso svantaggio. La stratificazione è controproducente perché si aumentano i costi di fabbricazione, afferma Luping Yu , professore di chimica organica all'Università di Chicago, che sta lavorando anche alle celle solari.
Un modo per migliorare le prestazioni di queste cellule è assicurarsi che ogni singolo fotone che viene assorbito dai polimeri venga convertito in un elettrone che può essere raccolto. Il gruppo di Heeger ha potenziato l'efficienza complessiva delle sue celle migliorando questa efficienza interna. La capacità di movimento degli elettroni all'interno di questi film dipende dalla qualità dell'interfaccia tra i due componenti che compongono il film: nella cella dell'Università della California, questi sono un polimero conduttivo e una versione di un composto di carbonio a forma di pallone da calcio chiamato un fullereno. Il gruppo di Heeger ha testato film realizzati con diversi rapporti di questi due componenti, nonché diversi solventi per la loro lavorazione.
Il risultato è una cella con un'efficienza interna quasi perfetta. Tutta la luce che è stata assorbita è stata convertita in cariche, dice Zhenan Bao , professore associato di ingegneria chimica alla Stanford University, che non era coinvolto nella ricerca. Questo gruppo ha svolto un'ottima ingegneria sulle celle.
Sono entusiasta dei progressi, dice Per contattare Yang , professore di scienza e ingegneria dei materiali presso l'Università della California, Los Angeles. Spingi il record in modo incrementale. Heeger è d'accordo: la dimensione del mercato dipende dal costo in dollari per watt, quindi ogni aumento dell'efficienza è importante.
Mentre Yang, Bao e Heeger affermano che le cifre raggiunte dal gruppo di Heeger sono un'importante dimostrazione del potenziale delle celle solari polimeriche, tutti riconoscono che i materiali esistenti non saranno quelli che faranno avanzare il settore. Il dieci percento [di efficienza] sarebbe una svolta, afferma Heeger. Ci arriviamo sintetizzando nuovi materiali che rispondono a più dello spettro energetico.
I materiali organici sono ancora limitati alla luce visibile, afferma Yang, ma gran parte dell'energia del sole si trova nella parte vicina dello spettro, l'infrarosso, quindi gli scienziati dei polimeri stanno lavorando su materiali per celle solari che possono anche assorbire questa banda. Yu dell'Università di Chicago, che sta collaborando con Solarmer Energy, afferma che l'azienda ha utilizzato i suoi polimeri, che assorbono la luce a lunghezza d'onda più corta, per realizzare celle che dovrebbero raggiungere un'efficienza superiore al 7%, ma non può rivelare i dettagli perché i risultati non sono ancora state pubblicate.