Ricercatori della Fondazione FOM, Università di tecnologia di Delft, Toyota Motor Europe e l'Università della California hanno sviluppato una nanostruttura con la quale possono rendere altamente efficienti le celle solari. I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati il ​​23 agosto 2013 nell'edizione online di Comunicazioni sulla natura .

Le nanostrutture intelligenti possono aumentare la resa delle celle solari. Un team internazionale di ricercatori tra cui fisici della Fondazione FOM, Università di tecnologia di Delft e Toyota, hanno ora ottimizzato le nanostrutture in modo che la cella solare fornisca più elettricità e perda meno energia sotto forma di calore.

Celle solari

Una cella solare convenzionale contiene uno strato di silicio. Quando la luce del sole cade su questo strato, gli elettroni nel silicio assorbono l'energia delle particelle luminose (fotoni). Usando questa energia gli elettroni saltano attraverso un "gap di banda", per cui possono muoversi liberamente e l'elettricità scorre.

La resa di una cella solare è ottimizzata se l'energia del fotone è uguale al band gap del silicio. Luce del sole, però, contiene molti fotoni con energie maggiori del band gap. L'energia in eccesso si perde sotto forma di calore, che limita la resa di una cella solare convenzionale.

Nanosfere

Diversi anni fa i ricercatori della Delft University of Technology, così come altri fisici, dimostrato che l'energia in eccesso potrebbe ancora essere utilizzata. In piccole sfere di un materiale semiconduttore, l'energia in eccesso consente agli elettroni in più di saltare attraverso il gap di banda. Queste nanosfere, i cosiddetti punti quantici, hanno un diametro di appena un decimillesimo di un capello umano.

Se una particella di luce consente a un elettrone in un punto quantico di attraversare il band gap, l'elettrone si muove nel punto. Ciò garantisce che l'elettrone collida con altri elettroni che successivamente saltano anche attraverso il gap di banda. Come risultato di questo processo un singolo fotone può mobilitare diversi elettroni moltiplicando così la quantità di corrente prodotta.

Contatto tra punti quantici

Però, fino ad ora il problema era che gli elettroni rimanevano intrappolati nei loro punti quantici e quindi non potevano contribuire alla corrente nella cella solare. Ciò era dovuto alle grandi molecole che stabilizzano la superficie dei punti quantici. Queste grandi molecole impediscono agli elettroni di saltare da un punto quantico all'altro e quindi non scorre corrente.

Nel nuovo disegno, i ricercatori hanno sostituito le molecole grandi con molecole piccole e hanno riempito lo spazio vuoto tra i punti quantici con ossido di alluminio. Ciò ha portato a un contatto molto maggiore tra i punti quantici consentendo agli elettroni di muoversi liberamente.

Prodotto

Usando la spettroscopia laser i fisici hanno visto che un singolo fotone ha effettivamente causato il rilascio di diversi elettroni nel materiale contenente punti quantici collegati. Tutti gli elettroni che hanno attraversato la banda proibita si sono spostati liberamente nel materiale. Di conseguenza la resa teorica delle celle solari contenenti tali materiali sale al 45%, che è superiore di oltre il 10% rispetto a una cella solare convenzionale.

Questo tipo di cella solare più efficiente è facile da produrre:la struttura delle nanosfere collegate può essere applicata alla cella solare come un tipo di vernice a strati. Di conseguenza le nuove celle solari non saranno solo più efficienti ma anche più economiche delle celle convenzionali.

I ricercatori olandesi ora vogliono lavorare con partner internazionali per produrre celle solari complete utilizzando questo design.