Ora che le celle solari basate sulla tecnologia del silicio hanno quasi raggiunto i loro limiti di efficienza, ricercatori di tutto il mondo sono alla ricerca di tecnologie alternative per migliorare ulteriormente l'efficienza delle celle solari. I fisici dell'AMOLF e dell'Università di Cambridge hanno utilizzato tecniche di modellazione per confrontare due di queste tecnologie promettenti:moltiplicatori di fotoni a fissione singoletto e celle solari tandem. Mentre il potenziale miglioramento dell'efficienza è quasi uguale, il moltiplicatore di fotoni di fissione singoletto si è rivelato più stabile al variare delle condizioni meteorologiche. Anche, il moltiplicatore di fotoni a fissione singoletto non richiede modifiche alla tecnologia del silicio, il che significa che potrebbe anche essere utilizzato per migliorare le celle solari esistenti. I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati in ACS Energy Letters .

Negli ultimi 20 anni, l'efficienza delle celle solari al silicio da record prodotte in laboratorio è aumentata solo del 2%, e sarà molto difficile apportare ulteriori miglioramenti nei prossimi anni. Il motivo principale è che le celle solari convenzionali sprecano gran parte della luce solare in arrivo. La tecnologia al silicio semplicemente non può convertire tutta la luce solare in energia elettrica perché il silicio assorbe solo una parte dello spettro solare. Anche, i fotoni ad alta energia della parte blu dello spettro non vengono convertiti in modo efficiente, e generano calore indesiderato nella cella solare.

Presso l'istituto di ricerca AMOLF, il gruppo Hybrid Solar Cells guidato da Bruno Ehrler studia le proprietà dei semiconduttori organici per superare i limiti delle celle solari inorganiche (silicio). "Ci sono due strategie promettenti che migliorerebbero enormemente le celle solari, " dice il dottorando Moritz Futscher. "Il primo, tecnologia delle celle solari tandem basata su una combinazione di materiali ibridi di perovskite e silicio, riceve molta attenzione ed è ampiamente studiato da ricercatori di tutto il mondo. Studiamo anche le perovskiti, ma siamo anche uno dei pochi gruppi di ricerca che studia la seconda tecnologia, che sfrutta un processo chiamato fissione singoletto."

La fissione singoletto è un processo che si verifica solo nei semiconduttori organici. Quando un fotone ad alta energia viene assorbito, viene generata una particella ad alta energia chiamata eccitone singoletto. Questo eccitone singoletto si converte in due eccitoni tripletti che hanno ciascuno circa la metà dell'energia dell'eccitone singoletto. "Con questo approccio, creiamo due fotoni a bassa energia da un fotone ad alta energia. Questi fotoni vengono quindi emessi nella cella solare sottostante tramite punti quantici, minuscole particelle fatte di semiconduttori, " spiega Futscher. "In questo modo, fissione singoletto funge da moltiplicatore di fotoni."

Futscher e i suoi colleghi hanno teoricamente confrontato i moltiplicatori di fotoni a fissione singoletto con celle solari tandem che utilizzano una combinazione di perovskiti e silicio in condizioni meteorologiche reali. "Sappiamo che le celle solari tandem funzionano molto bene nelle regioni soleggiate, ma sottoperformano nelle regioni con condizioni meteorologiche fluttuanti. Quindi abbiamo preso in considerazione il tempo e lo spettro solare, " dice Futscher. "Abbiamo scoperto che la combinazione di un moltiplicatore di fotoni a fissione singoletto e celle solari al silicio funziona altrettanto bene della combinazione di perovskiti con silicio (tandem). Però, in condizioni meteorologiche fluttuanti riscontrate nei Paesi Bassi, il moltiplicatore di fotoni a fissione singoletto si rivela una scelta più stabile."

Il fatto che le celle solari a fissione singoletto funzionino potenzialmente come le celle solari tandem, e anche meglio, in determinate circostanze, lo rende un'alternativa molto interessante. "Questi moltiplicatori di fotoni sono facili da realizzare. È fondamentalmente una sottile pellicola di plastica che può essere posizionata sopra una cella solare esistente. La tecnologia della cella solare stessa non ha bisogno di essere cambiata, " dice Futscher. "Anche se la tecnologia funziona meglio con le ultime celle solari all'avanguardia, un tale foglio di fissione singoletto migliorerebbe persino le prestazioni delle celle solari al silicio in uso, soprattutto nelle diverse condizioni meteorologiche che affrontiamo nei Paesi Bassi".