In un anticipo che rende più flessibile, tipo economico di cella solare commercialmente praticabile, I ricercatori dell'Università del Michigan hanno dimostrato che le celle solari organiche possono raggiungere un'efficienza del 15%.

Questo livello di efficienza è nella gamma di molti pannelli solari, o fotovoltaico, attualmente sul mercato.

"Il fotovoltaico organico può potenzialmente ridurre notevolmente il costo totale del sistema di energia solare, rendere il solare una fonte di energia pulita davvero onnipresente, " ha detto Stephen Forrest, il Peter A. Franken Distinguished University Professor of Engineering e Paul G. Goebel Professor of Engineering, che ha condotto i lavori.

Con un'efficienza del 15% e una durata di 20 anni, i ricercatori stimano che le celle solari organiche potrebbero produrre elettricità a un costo inferiore a 7 centesimi per chilowattora. In confronto, il costo medio dell'elettricità negli Stati Uniti è stato di 10,5 centesimi per kilowattora nel 2017, secondo la U.S. Energy Information Administration.

Le celle solari organiche incorporano carbonio nella loro costruzione per offrire numerosi vantaggi rispetto alle celle "inorganiche" convenzionali. I pannelli solari inorganici a base di silicio sono costosi da realizzare, costituiti da spessi, lamiere rigide che richiedono punti fissi di installazione.

Ma le celle solari organiche a base di carbonio potrebbero essere fabbricate a buon mercato in rotoli abbastanza sottili da piegarsi e curvarsi attorno alle strutture o all'interno dei vestiti, e ha fatto qualsiasi colore, anche trasparente, per mimetizzarsi con il loro ambiente.

Nonostante questi vantaggi, le celle solari organiche non hanno l'efficienza necessaria per competere con le fonti energetiche convenzionali.

"Negli ultimi due anni, l'efficienza per il fotovoltaico organico è rimasta bloccata tra l'11 e il 12 percento, " ha detto Xiaozhou Che, un dottorando nel programma di fisica applicata e primo autore di un nuovo studio pubblicato in Energia della natura .

Per farli uscire da questo solco, i ricercatori hanno combinato molteplici progressi nella progettazione e nel processo.

Primo, hanno progettato un sistema che combina strati specializzati per assorbire sia la luce visibile che quella infrarossa. Essenzialmente hanno impilato due celle solari organiche, una in grado di assorbire la luce dallo spettro visibile a partire da 350 nanometri di lunghezza d'onda, e un altro in grado di assorbire la luce del vicino infrarosso fino a 950 nanometri di lunghezza d'onda.

"Da soli, le celle raggiungono un'efficienza dal 10 all'11 percento, " Che ha detto. "Quando li impilare insieme, aumentiamo l'assorbimento della luce e l'efficienza migliora al 15% con un rivestimento antiriflesso."

L'impilamento delle celle ha richiesto una svolta nel processo. Il team ha sviluppato strati interconnessi che prevengono danni alla prima cella, e lasciano comunque passare la luce e le cariche elettriche.

"Questo è considerato un processo difficile perché c'è la possibilità che il liquido utilizzato nella lavorazione della cella superiore dissolva gli strati già depositati sotto, " Ha detto Che.

Finalmente, il team ha dimostrato che il loro nuovo design, i materiali e il processo hanno un'elevata resa di fabbricazione di oltre il 95 percento. Ciò significa che i ricercatori hanno creato con successo quasi tutti i dispositivi senza cortocircuiti, ed è importante per portare la fabbricazione a livello industriale.

Nonostante abbia stabilito un'efficienza record, il team crede di poter spingere ulteriormente i propri progressi.

"Possiamo migliorare l'assorbimento della luce per aumentare la corrente elettrica, e ridurre al minimo la perdita di energia per aumentare la tensione, " Che ha detto. "Sulla base di calcoli, un'efficienza del 18% è prevista nel prossimo futuro per questo tipo di dispositivo multigiunzione."

Lo studio, "Fotovoltaico tandem organico ad alto rendimento di fabbricazione che combina sottocelle lavorate sotto vuoto e in soluzione con un'efficienza del 15%, " è pubblicato in Energia della natura il 23 aprile 2018.