I ricercatori hanno quantificato le velocità sorprendentemente elevate alle quali le future celle solari dovrebbero funzionare per estendere quelli che attualmente sono considerati limiti naturali alla loro efficienza di conversione energetica.

Lo studio, che ha studiato dispositivi fotovoltaici basati su un tipo di materiali chiamati perovskiti, suggerisce che questi potrebbero raggiungere livelli di superefficienza senza precedenti. Ma per farlo, dovranno trasformare la luce solare in elettroni e quindi estrarli come carica elettrica entro appena quadrilionesimi di secondo - pochi "femtosecondi", per dare loro il nome scientifico.

Spostare gli elettroni a questa velocità ultraveloce consentirebbe la creazione di celle "portatrici calde". Queste sono celle solari che possono generare elettricità in modo più efficiente sfruttando l'energia cinetica aggiunta che gli elettroni hanno per un breve momento subito dopo la loro creazione, mentre si muovono ad alta velocità.

La quantità di energia elettrica che può essere estratta da una cella portatrice calda, rispetto alla quantità di luce assorbita, potrebbe potenzialmente eguagliare o addirittura infrangere un tasso di efficienza energetica del 30%. In termini grossolani, questa è la massima efficienza energetica che le celle solari possono concepibilmente raggiungere, sebbene le celle al silicio standard abbiano in pratica efficienze più vicine al 20%.

Nonostante le minuscole frazioni di tempo coinvolte, gli autori del nuovo documento affermano che è possibile che le perovskiti possano in definitiva spingere questa barriera di efficienza.

Lo studio, pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura , è stata condotta da accademici in Italia e nel Regno Unito. Il team britannico ha coinvolto i ricercatori del gruppo di ricerca sull'optoelettronica del Laboratorio Cavendish del professor Sir Richard Friend, un membro del St John's College, Cambridge. Il team italiano ha sede presso il Politecnico di Milano nel gruppo del professor Giulio Cerullo.

Johannes Richter, uno studente di dottorato nel gruppo di optoelettronica e l'autore principale del documento, ha dichiarato:"La tempistica che abbiamo calcolato è ora il limite di tempo entro il quale dobbiamo operare se vogliamo creare super-efficienti, dispositivi solari a vettore caldo. Avremmo bisogno di estrarre gli elettroni prima che passi questo piccolo lasso di tempo".

"Stiamo parlando di farlo in modo estremamente rapido, ma non è impossibile che possa accadere. Le cellule di perovskite sono molto sottili e questo ci dà speranza, perché la distanza che gli elettroni devono percorrere è quindi molto breve."

Le perovskiti sono una classe di materiali che potrebbero presto sostituire il silicio come materiale di scelta per molti dispositivi fotovoltaici. Sebbene le celle solari in perovskite siano state sviluppate solo negli ultimi anni, sono già efficienti dal punto di vista energetico quasi quanto il silicio.

In parte perché sono notevolmente più sottili, sono molto più economici da realizzare. Mentre le celle di silicio hanno uno spessore di circa un millimetro, equivalenti perovskite hanno uno spessore di circa un micrometro, circa 100 volte più sottile di un capello umano. Sono anche molto flessibili, il che significa che oltre ad essere utilizzato per alimentare edifici e macchine, le cellule di perovskite potrebbero eventualmente essere incorporate in cose come tende, o anche abbigliamento.

Nel nuovo studio, i ricercatori volevano sapere per quanto tempo gli elettroni prodotti da queste cellule conservano i livelli di energia più alti possibili. Quando la luce del sole colpisce la cellula, particelle di luce (o fotoni), vengono convertiti in elettroni. Questi possono essere estratti attraverso un elettrodo per raccogliere la carica elettrica.

Per un breve momento dopo che sono stati creati, gli elettroni si muovono molto velocemente. Però, poi iniziano a scontrarsi, e perdere energia. Gli elettroni che mantengono la loro velocità, prima della collisione, sono conosciuti come "caldi" e la loro energia cinetica aggiunta significa che hanno il potenziale per produrre più carica.

"Immagina di avere un tavolo da biliardo e ogni pallina si muovesse alla stessa velocità, " spiegò Richter. "Dopo un certo periodo di tempo, si colpiranno l'un l'altro, che li fa rallentare e cambiare direzione. Volevamo sapere quanto tempo abbiamo per estrarre gli elettroni prima che ciò accada".

Il team di Cambridge ha sfruttato un metodo sviluppato dai colleghi di Milano chiamato spettroscopia bidimensionale. Ciò comporta il pompaggio di luce da due laser su campioni di cella di perovskite a ioduro di piombo per simulare la luce solare, e quindi utilizzando un terzo laser "sonda" per misurare la quantità di luce che viene assorbita.

Una volta che gli elettroni si sono scontrati e hanno rallentato, e iniziano così a occupare spazio nella cella, la quantità di luce assorbita cambia. Il tempo necessario allo studio perché ciò accadesse ha effettivamente permesso ai ricercatori di stabilire quanto tempo è disponibile per estrarre gli elettroni mentre sono ancora "caldi".

Lo studio ha scoperto che gli eventi di collisione di elettroni hanno iniziato a verificarsi tra 10 e 100 femtosecondi dopo che la luce è stata inizialmente assorbita dalla cellula. Per massimizzare l'efficienza energetica, gli elettroni dovrebbero quindi raggiungere l'elettrodo in appena 10 quadrilionesimi di secondo.

I ricercatori sono comunque ottimisti sul fatto che ciò possa essere possibile. Oltre a sfruttare la sottigliezza intrinseca della perovskite, credono che le nanostrutture potrebbero essere create all'interno delle cellule per ridurre ulteriormente la distanza che gli elettroni devono percorrere.

"Questo approccio è solo un'idea per ora, ma è il genere di cosa che avremmo bisogno per superare i tempi molto piccoli che abbiamo misurato, "ha aggiunto Richter.

La carta, "Termalizzazione del vettore ultraveloce in perovskite ioduro di piombo sondata con spettroscopia elettronica bidimensionale, " è pubblicato in Comunicazioni sulla natura .