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  • Fino al filo:sviluppata una tecnica economica per realizzare celle solari nanowire di alta qualità

    Lo schema mostra come realizzare una cella solare con nanocavo core/shell partendo da sinistra con un nanofilo CdS (verde) immerso in CuCl dove la reazione di scambio cationico crea un rivestimento del guscio Cu2S (marrone). I contatti metallici vengono quindi depositati sul nucleo CdS e sul guscio Cu2S. Credito:immagine per gentile concessione di Yang, et. al

    (PhysOrg.com) -- Le celle solari o fotovoltaiche rappresentano una delle migliori tecnologie possibili per fornire una fonte di energia assolutamente pulita e virtualmente inesauribile per alimentare la nostra civiltà. Però, perché questo sogno si realizzi, le celle solari devono essere realizzate con elementi poco costosi utilizzando a basso costo, chimica di lavorazione meno energivora, e hanno bisogno di convertire la luce solare in elettricità in modo efficiente e competitivo in termini di costi. Un team di ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) ha ora dimostrato due su tre di questi requisiti con un inizio promettente sul terzo.

    Peidong Yang, un chimico con la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab, ha guidato lo sviluppo di una tecnica basata su soluzioni per la fabbricazione di celle solari a nanofili con nucleo/involucro utilizzando i semiconduttori solfuro di cadmio per il nucleo e solfuro di rame per il guscio. Queste celle solari a nanocavi, economiche e facili da realizzare, vantavano una tensione a circuito aperto e valori del fattore di riempimento superiori alle celle solari planari convenzionali. Insieme, la tensione a circuito aperto e il fattore di riempimento determinano l'energia massima che una cella solare può produrre. Inoltre, i nuovi nanofili hanno anche dimostrato un'efficienza di conversione energetica del 5,4%, che è paragonabile alle celle solari planari.

    "Questa è la prima volta che una tecnica di chimica a scambio cationico basata su soluzioni è stata utilizzata per la produzione di nanofili monocristallini di alta qualità con nucleo/guscio di solfuro di cadmio/solfuro di rame, " Yang dice. "Il nostro successo, insieme all'aumento dell'assorbimento della luce che abbiamo precedentemente dimostrato negli array di nanofili attraverso l'intrappolamento della luce, indica che i nanofili core/shell sono davvero promettenti per la futura tecnologia delle celle solari".

    Yang, che detiene un appuntamento congiunto con l'Università della California (UC) Berkeley, è l'autore corrispondente di un articolo che riporta questa ricerca che appare sulla rivista Nature Nanotechnology. Il documento è intitolato "Nanofili core-shell processati in soluzione per celle fotovoltaiche efficienti". Co-autore di questo articolo con Yang c'erano Jinyao Tang, Ziyang Huo, Sarah Brittman e Hanwei Gao.

    Le tipiche celle solari odierne sono realizzate con wafer di silicio monocristallino ultrapuro che richiedono uno spessore di circa 100 micrometri di questo materiale molto costoso per assorbire abbastanza luce solare. Per di più, l'alto livello di purificazione dei cristalli richiesto rende complessa la fabbricazione anche della più semplice cella solare planare a base di silicio, processo energivoro e costoso.

    Un'alternativa molto promettente sarebbero i nanofili semiconduttori, strisce unidimensionali di materiali la cui larghezza misura solo un millesimo di quella di un capello umano, ma la cui lunghezza può arrivare fino alla scala del millimetro. Le celle solari realizzate con nanofili offrono una serie di vantaggi rispetto alle celle solari planari convenzionali, comprese una migliore separazione della carica e capacità di raccolta, inoltre possono essere realizzati con materiali abbondanti sulla Terra piuttosto che con silicio altamente lavorato. Ad oggi, però, le efficienze inferiori delle celle solari basate su nanofili hanno superato i loro benefici.

    "Le celle solari nanowire in passato hanno dimostrato fattori di riempimento e tensioni a circuito aperto di gran lunga inferiori a quelli delle loro controparti planari, " Yang dice. "Le possibili ragioni di queste scarse prestazioni includono la ricombinazione superficiale e lo scarso controllo sulla qualità delle giunzioni p-n quando vengono utilizzati processi di drogaggio ad alta temperatura".

    Questa immagine al microscopio elettronico a scansione mostra tre celle solari in serie su un singolo nanofilo con le regioni core-shell contrassegnate da linee marroni. Credito:immagine per gentile concessione di Yang, et. al

    Al centro di tutte le celle solari ci sono due strati separati di materiale, uno con un'abbondanza di elettroni che funzionano come un polo negativo, e uno con un'abbondanza di lacune elettroniche (spazi energetici caricati positivamente) che funzionano come un polo positivo. Quando i fotoni del sole vengono assorbiti, la loro energia viene utilizzata per creare coppie elettrone-lacuna, che vengono poi separati alla giunzione p-n - l'interfaccia tra i due strati - e raccolti come elettricità.

    Circa un anno fa, lavorare con il silicio, Yang e i membri del suo gruppo di ricerca hanno sviluppato un modo relativamente economico per sostituire le giunzioni p-n planari delle celle solari convenzionali con una giunzione p-n radiale, in cui uno strato di silicio di tipo n formava un guscio attorno a un nucleo di nanofili di silicio di tipo p. Questa geometria ha trasformato efficacemente ogni singolo nanofilo in una cella fotovoltaica e ha notevolmente migliorato le capacità di intrappolamento della luce dei film sottili fotovoltaici a base di silicio.

    Ora hanno applicato questa strategia alla fabbricazione di nanofili core/shell utilizzando solfuro di cadmio e solfuro di rame, ma questa volta usando la chimica della soluzione. Questi nanofili core/shell sono stati preparati utilizzando una reazione di scambio di cationi (ioni negativi) basata su soluzione originariamente sviluppata dal chimico Paul Alivisatos e dal suo gruppo di ricerca per creare punti quantici e nanobarre. Alivisatos è ora il direttore del Berkeley Lab, e Larry e Diane Bock Professore di nanotecnologia dell'Università di Berkeley.

    "I nanofili iniziali di solfuro di cadmio sono stati sintetizzati mediante trasporto fisico del vapore utilizzando un meccanismo vapore-liquido-solido (VLS) piuttosto che la chimica umida, che ci ha dato materiale di migliore qualità e maggiore lunghezza fisica, ma certamente possono anche essere realizzati utilizzando il processo di soluzione", afferma Yang. "I nanofili di solfuro di cadmio monocristallino così come crescono hanno diametri compresi tra 100 e 400 nanometri e lunghezze fino a 50 millimetri".

    I nanofili di solfuro di cadmio sono stati quindi immersi in una soluzione di cloruro di rame a una temperatura di 50 gradi Celsius e tenuti lì per 5-10 secondi. La reazione di scambio cationico ha convertito lo strato superficiale del solfuro di cadmio in un guscio di solfuro di rame.

    "La reazione di scambio cationico basata sulla soluzione ci fornisce un facile, metodo a basso costo per preparare nanomateriali etero-epitassiali di alta qualità, " Yang dice. "Inoltre, aggira le difficoltà del drogaggio e della deposizione ad alta temperatura per i tipici metodi di produzione in fase vapore, il che suggerisce costi di fabbricazione molto inferiori e una migliore riproducibilità. Tutto ciò di cui abbiamo veramente bisogno sono becher e matracci per questo processo basato sulla soluzione. Non c'è nessuno degli alti costi di fabbricazione associati alla deposizione di vapore chimico epitassiale in fase gassosa e all'epitassia a fascio molecolare, le tecniche più utilizzate oggi per fabbricare nanofili semiconduttori."

    Yang ei suoi colleghi credono di poter migliorare l'efficienza di conversione dell'energia dei loro nanofili di celle solari aumentando la quantità di materiale del guscio di solfuro di rame. Affinché la loro tecnologia sia commercialmente valida, devono raggiungere un'efficienza di conversione energetica di almeno il dieci per cento.


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