Gli scienziati della Purdue University e del National Renewable Energy Laboratory hanno scoperto come si muovono gli elettroni in un nuovo materiale cristallino e questa scoperta potrebbe portare a raddoppiare l'efficienza delle celle solari. Immagini al microscopio ultraveloci, come questi, mostrano che gli elettroni nel materiale sono in grado di spostarsi di oltre 200 nanometri con una minima perdita di energia per il calore. Credito:immagine della Purdue University di Libai Huang
È stato dimostrato che un nuovo materiale ha la capacità di raddoppiare l'efficienza delle celle solari dai ricercatori della Purdue University e del National Renewable Energy Laboratory.
Le celle solari convenzionali sono efficienti al massimo per un terzo, un limite noto agli scienziati come limite di Shockley-Queisser. Il nuovo materiale, una struttura cristallina che contiene sia materiali inorganici (iodio e piombo) sia un materiale organico (metil-ammonio), aumenta l'efficienza in modo che possa trasportare i due terzi dell'energia dalla luce senza perdere tanta energia per il calore.
In termini meno tecnici, questo materiale potrebbe raddoppiare la quantità di elettricità prodotta senza un aumento significativo dei costi.
Una quantità sufficiente di energia solare raggiunge la terra per fornire più volte tutto il fabbisogno energetico del pianeta, ma catturare quell'energia è stato difficile - a partire dal 2013, solo l'1% circa dell'elettricità della rete mondiale è stata prodotta da pannelli solari.
Libai Huang, assistente professore di chimica alla Purdue, dice il nuovo materiale, chiamato perovskiti ibride, creerebbe celle solari più sottili delle celle solari al silicio convenzionali, ed è anche flessibile, economico e facile da realizzare.
"I miei laureati imparano a farla in pochi giorni, " lei dice.
La svolta è pubblicata questa settimana sulla rivista Scienza .
La Purdue University e il National Renewable Energy Laboratory hanno scoperto il potenziale per raddoppiare l'efficienza delle celle solari utilizzando un nuovo materiale unico. Il materiale, chiamato perovskite ibrida, ha una "gabbia" di cristalli inorganici che contiene una molecola organica, metil-ammonio. Credito:immagine della Purdue University di Libai Huang
Le celle solari più comuni utilizzano il silicio come semiconduttore, che può trasmettere solo un terzo dell'energia a causa del band gap, che è la quantità di energia necessaria per portare un elettrone da uno stato legato a uno stato conduttore, in cui gli elettroni sono in grado di muoversi, creare elettricità.
I fotoni in ingresso possono avere più energia del band gap, e per un tempo molto breve – così breve che è difficile immaginare – gli elettroni esistono con energia extra. Questi elettroni sono chiamati "portatori caldi, " e nel silicio esistono solo per un picosecondo (che è 10 -12 secondi) e percorrono solo una distanza massima di 10 nanometri. A questo punto gli elettroni vettori caldi cedono la loro energia sotto forma di calore. Questo è uno dei motivi principali dell'inefficienza delle celle solari.
Huang e i suoi colleghi hanno sviluppato una nuova tecnica in grado di tracciare la gamma del movimento e la velocità dei vettori caldi utilizzando laser e microscopi veloci.
"La distanza che i vettori caldi devono migrare è almeno lo spessore di una cella solare, o circa 200 nanometri, che questo nuovo materiale perovskite può raggiungere, " dice Huang. "Anche questi vettori possono vivere per circa 100 picosecondi, due ordini di grandezza più lungo del silicio."
Kai Zhu, scienziato senior presso il National Renewable Energy Laboratory di Golden, Colorado, e uno dei coautori del giornale, afferma che questi sono fattori critici per la creazione di una cella solare commerciale hot-carrier.
"Questo studio ha dimostrato che i vettori caldi in un film sottile di perovskite policristallina standard possono viaggiare per una distanza che è simile o più lunga dello spessore del film necessario per costruire una cella solare di perovskite efficiente, " dice. "Questo indica che il potenziale per lo sviluppo di celle solari a perovskite a vettore caldo è buono".
Però, prima che un prodotto commerciale sia sviluppato, i ricercatori stanno cercando di utilizzare le stesse tecniche sviluppate a Purdue sostituendo il piombo nel materiale con altri, meno tossico, metalli.
"Il prossimo passo è trovare o sviluppare materiali o strutture di contatto adatti con livelli di energia adeguati per estrarre questi vettori caldi per generare energia nel circuito esterno, " Dice Zhu. "Questo potrebbe non essere facile."
