Il futuro sta diventando più luminoso per l'energia solare. I ricercatori di CU Boulder hanno creato una cella solare a basso costo con una delle più alte efficienze di conversione energetica fino ad oggi, stratificando le celle e utilizzando una combinazione unica di elementi.

"Abbiamo preso un prodotto che è responsabile di un settore da 30 miliardi di dollari l'anno e l'abbiamo migliorato del 30%, " ha detto Michael McGehee, docente presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biologica e coautore di un paper, da pubblicare domani in Scienza , che descrive la tecnologia. "Questo è un grosso problema."

I ricercatori hanno preso una cella solare perovskite, una struttura cristallina progettata per raccogliere fotoni di energia più elevata, e l'ha sovrapposto a una cella solare al silicio, che cattura più fotoni nella parte infrarossa dello spettro, che è costituita da energia radiante che non possiamo vedere, ma possiamo sentire come il calore. Combinato, la perovskite solleva una cella solare al silicio del 21% fino a un'efficienza del 27%, aumentandola di un terzo.

Per anni, le celle solari al silicio sono state lo standard nel settore dell'energia solare. Ma le attuali celle a base di silicio convertono in media solo dal 18% al 21% dell'energia solare in elettricità utilizzabile, e raggiungono il 26,6% circa.

Ciò significa che ora costa di più installare le celle che acquistarle, disse McGehee, un membro del Renewable &Sustainable Energy Institute.

L'efficienza media dei pannelli solari è inferiore all'efficienza massima, perché non importa quanto sia bravo un individuo, piccola cella solare è, perderà circa tre punti percentuali se applicato su un pannello di grandi dimensioni, un po' come se una squadra sportiva fosse brava solo quanto il suo giocatore medio. Ma se puoi aumentare l'efficienza complessiva, non è necessario installare tanti pannelli per ottenere la stessa quantità di energia.

Ciò che migliora notevolmente l'efficienza è mettere un'altra cella solare sopra una esistente, ed è esattamente ciò che hanno fatto McGehee e i suoi colleghi ricercatori.

Una formula segreta conveniente

Questa non è la prima volta che i ricercatori hanno stratificato le celle solari per aumentare l'efficienza. Il concetto, note anche come celle solari tandem o multigiunzione, è stato introdotto per la prima volta negli anni '70 e il record mondiale di efficienza delle celle solari è già superiore al 45%. Però, è arrivato a un prezzo alto:$ 80, 000 per metro quadrato, a causa del fatto che le cellule sono state coltivate uno strato atomico alla volta, creandone uno grande, cristallo singolo. Probabilmente non è un costo che il proprietario medio di una casa o un'azienda può permettersi.

McGehee e i suoi colleghi ricercatori sono i pionieri in una nuova direzione delle celle solari a strati, utilizzando perovskiti, che costa più di cento volte meno.

Hanno iniziato meno di 10 anni fa con l'idea di utilizzare materiali meno costosi sopra il silicio, e in un primo momento ha raggiunto solo circa il 13% di efficienza. Ma attraverso miglioramenti tecnologici sono stati in grado di raddoppiare quel numero.

La loro formula segreta prevede un'esclusiva lega di cloro a triplo alogenuro, bromo, e iodio.

Nelle celle solari, c'è una banda proibita ideale, secondo McGehee. Questo è lo spazio tra i livelli di energia in un semiconduttore, tra i quali saltano gli elettroni e creano energia elettrica.

Il bromo può aumentare questo bandgap, ma se usato con iodio ed esposto alla luce, questi elementi non sempre rimangono al loro posto. Precedenti studi hanno cercato di usare insieme cloro e iodio, ma a causa delle diverse dimensioni delle particelle di questi elementi, non abbastanza cloro potrebbe adattarsi alla struttura cristallina della perovskite. Ma utilizzando diverse quantità di cloro, bromo, e iodio, i ricercatori hanno trovato un modo per ridurre la struttura cristallina, consentendo a più cloro di adattarsi, stabilizzando e migliorando l'efficienza della cella.

Le perovskiti sono anche poco costose, non richiede energia da realizzare e facile da creare in laboratorio. E anche dopo 1000 ore, o quasi 42 giorni, di test intensivi di luce e calore, queste nuove celle solari hanno mostrato un cambiamento minimo nella loro efficienza iniziale.

Con il mercato dell'energia solare in crescita di circa il 30% all'anno, efficienza, il costo e la longevità sono considerazioni importanti per le quali le nuove tecnologie diventeranno mainstream.

McGehee è ottimista circa il potenziale di questo ampio gap di banda, cella solare a strati di perovskite.

Non solo ha ora superato la massima efficienza di una cella solare di solo silicio, "crediamo che possa portarci oltre il 30% di efficienza e che possa essere stabile, " disse McGehee.