In qualsiasi cella solare convenzionale a base di silicio, esiste un limite assoluto all'efficienza complessiva, basata in parte sul fatto che ogni fotone di luce può liberare solo un singolo elettrone, anche se quel fotone trasportava il doppio dell'energia necessaria per farlo. Ma ora, i ricercatori hanno dimostrato un metodo per ottenere fotoni ad alta energia che colpiscono il silicio per espellere due elettroni invece di uno, aprendo le porte a un nuovo tipo di cella solare con maggiore efficienza di quanto si ritenesse possibile.

Mentre le celle al silicio convenzionali hanno un'efficienza massima teorica assoluta di circa il 29,1% di conversione dell'energia solare, il nuovo approccio, sviluppato negli ultimi anni da ricercatori del MIT e altrove, potrebbe sfondare quel limite, potenzialmente aggiungendo diversi punti percentuali a quella produzione massima. I risultati sono descritti oggi sulla rivista Natura , in un articolo dello studente laureato Markus Einzinger, professore di chimica Moungi Bawendi, professore di ingegneria elettrica e informatica Marc Baldo, e altri otto al MIT e alla Princeton University.

Il concetto alla base di questa nuova tecnologia è noto da decenni, e la prima dimostrazione che il principio potrebbe funzionare è stata effettuata da alcuni membri di questa squadra sei anni fa. Ma in realtà traducendo il metodo in un completo, la cella solare al silicio operativa ha richiesto anni di duro lavoro, dice Baldo.

Quella dimostrazione iniziale "è stata una buona piattaforma di test" per dimostrare che l'idea poteva funzionare, spiega Daniel Congreve Ph.D. '15, un alunno ora al Rowland Institute di Harvard, che era l'autore principale in quel rapporto precedente ed è coautore del nuovo documento. Ora, con i nuovi risultati, "abbiamo fatto quello che ci eravamo prefissati di fare" in quel progetto, lui dice.

Lo studio originale ha dimostrato la produzione di due elettroni da un fotone, ma lo ha fatto in una cella fotovoltaica organica, che è meno efficiente di una cella solare al silicio. Si è scoperto che il trasferimento dei due elettroni da uno strato superiore di raccolta fatto di tetracene nella cella di silicio "non era semplice, " dice Baldo. Troy Van Voorhis, un professore di chimica al MIT che faceva parte di quel team originale, sottolinea che il concetto è stato proposto per la prima volta negli anni '70, e dice ironicamente che trasformare quell'idea in un dispositivo pratico "ci sono voluti solo 40 anni".

La chiave per dividere l'energia di un fotone in due elettroni risiede in una classe di materiali che possiedono "stati eccitati" chiamati eccitoni, Baldo dice:In questi materiali eccitonici, "questi pacchetti di energia si propagano come gli elettroni in un circuito, " ma con proprietà abbastanza diverse dagli elettroni. "Puoi usarli per cambiare energia, puoi tagliarli a metà, puoi combinarli." In questo caso, stavano attraversando un processo chiamato fissione degli eccitoni singoletti, ecco come l'energia della luce si divide in due parti separate, pacchetti di energia in movimento indipendente. Il materiale assorbe prima un fotone, formando un eccitone che subisce rapidamente la fissione in due stati eccitati, ciascuno con metà dell'energia dello stato originale.

Ma la parte difficile è stata poi accoppiare quell'energia nel silicio, un materiale che non è eccitonico. Questo accoppiamento non era mai stato realizzato prima.

Come passaggio intermedio, il team ha provato ad accoppiare l'energia dallo strato eccitonico in un materiale chiamato punti quantici. "Sono ancora eccitanti, ma sono inorganici, — dice Baldo. — Ha funzionato; Ha funzionato come un fascino, " dice. Comprendendo il meccanismo che avviene in quel materiale, lui dice, "non avevamo motivo di pensare che il silicio non avrebbe funzionato".

Quello che quel lavoro ha mostrato, Van Voorhis dice, è che la chiave di questi trasferimenti di energia risiede nella superficie stessa del materiale, non nella sua massa. "Quindi era chiaro che la chimica di superficie sul silicio sarebbe stata importante. Questo era ciò che avrebbe determinato quali tipi di stati superficiali c'erano". Quella concentrazione sulla chimica di superficie potrebbe essere stata ciò che ha permesso a questa squadra di avere successo dove altri non avevano, egli propone.

La chiave era in un sottile strato intermedio. "Si scopre che questo piccolo, minuscola striscia di materiale all'interfaccia tra questi due sistemi [la cella solare al silicio e lo strato di tetracene con le sue proprietà eccitoniche] ha finito per definire tutto. Ecco perché altri ricercatori non sono riusciti a far funzionare questo processo, e perché alla fine l'abbiamo fatto." È stato Einzinger "che alla fine ha spezzato quel dado, " lui dice, utilizzando uno strato di un materiale chiamato ossinitruro di afnio.

Lo strato è spesso solo pochi atomi, o solo 8 angstrom (diecimiliardesimi di metro), ma fungeva da "bel ponte" per gli stati eccitati, dice Baldo. Ciò ha finalmente permesso ai singoli fotoni ad alta energia di innescare il rilascio di due elettroni all'interno della cella di silicio. Ciò produce un raddoppio della quantità di energia prodotta da una data quantità di luce solare nella parte blu e verde dello spettro. Globale, che potrebbe produrre un aumento della potenza prodotta dalla cella solare, da un massimo teorico del 29,1 per cento, fino ad un massimo di circa il 35 per cento.

Le celle di silicio effettive non sono ancora al loro massimo, e nemmeno il nuovo materiale, quindi è necessario fare più sviluppo, ma la fase cruciale dell'accoppiamento efficiente dei due materiali è stata ora dimostrata. "Dobbiamo ancora ottimizzare le celle di silicio per questo processo, " dice Baldo. Tanto per cominciare, con il nuovo sistema quelle celle possono essere più sottili rispetto alle versioni attuali. È inoltre necessario lavorare sulla stabilizzazione dei materiali per la durabilità. Globale, le applicazioni commerciali probabilmente mancano ancora di qualche anno, dice la squadra.

Altri approcci per migliorare l'efficienza delle celle solari tendono a comportare l'aggiunta di un altro tipo di cella, come uno strato di perovskite, sopra il silicio. Baldo dice "stanno costruendo una cella sopra l'altra. Fondamentalmente, stiamo costruendo una cella, stiamo mettendo il turbo alla cella di silicio. Stiamo aggiungendo più corrente nel silicio, invece di fare due celle."

I ricercatori hanno misurato una proprietà speciale dell'ossinitruro di afnio che lo aiuta a trasferire l'energia eccitonica. "Sappiamo che l'ossinitruro di afnio genera una carica aggiuntiva all'interfaccia, che riduce le perdite mediante un processo chiamato passivazione del campo elettrico. Se riusciamo a stabilire un migliore controllo su questo fenomeno, le efficienze possono salire ancora più in alto." Dice Einzinger. Finora, nessun altro materiale che hanno testato può eguagliare le sue proprietà.