L'impressione degli artisti di spremere più energia dalle celle solari deformando fisicamente ciascuno dei cristalli nei semiconduttori utilizzati dalle celle fotovoltaiche. Credito:Università di Warwick/Mark Garlick
I fisici dell'Università di Warwick hanno oggi, giovedì 19 aprile 2018, pubblicato una nuova ricerca nel fournal Scienza oggi 19 aprile 2018 (tramite le pagine della prima pubblicazione del Journal) che potrebbe letteralmente spremere più energia dalle celle solari deformando fisicamente ciascuno dei cristalli nei semiconduttori utilizzati dalle celle fotovoltaiche.
Il documento intitolato "Effetto Flexo-Fotovoltaico" è stato scritto dal Professor Marin Alexe, Ming Min Yang, e Dong Jik Kim che hanno tutti sede nel Dipartimento di Fisica dell'Università di Warwick.
I ricercatori di Warwick hanno esaminato i vincoli fisici sull'attuale design della maggior parte delle celle solari commerciali che pongono un limite assoluto alla loro efficienza. La maggior parte delle celle solari commerciali è formata da due strati che creano al loro confine una giunzione tra due tipi di semiconduttori, tipo p con portatori di carica positivi (buche che possono essere riempite da elettroni) e tipo n con portatori di carica negativa (elettroni).
Quando la luce viene assorbita, la giunzione dei due semiconduttori sostiene un campo interno che divide i portatori fotoeccitati in direzioni opposte, generando una corrente e una tensione attraverso la giunzione. Senza tali giunzioni l'energia non può essere raccolta e i portatori foto-usciti si ricombineranno semplicemente rapidamente eliminando qualsiasi carica elettrica.
Quella giunzione tra i due semiconduttori è fondamentale per ottenere energia da una tale cella solare, ma ha un limite di efficienza. Questo limite di Shockley-Queisser significa che di tutta la potenza contenuta nella luce solare che cade su una cella solare ideale in condizioni ideali solo un massimo del 33,7% può essere trasformato in elettricità.
C'è tuttavia un altro modo in cui alcuni materiali possono raccogliere cariche prodotte dai fotoni del sole o da altre parti. L'effetto fotovoltaico bulk si verifica in alcuni semiconduttori e isolanti dove la loro mancanza di perfetta simmetria attorno al loro punto centrale (la loro struttura non centrosimmetrica) consente la generazione di tensione che può essere effettivamente maggiore del band gap di quel materiale (il band gap essendo il gap tra la banda di valenza, il più alto intervallo di energie degli elettroni in cui gli elettroni sono normalmente presenti alla temperatura dello zero assoluto e la banda di conduzione in cui l'elettricità può fluire).
Purtroppo i materiali che notoriamente esibiscono l'effetto fotovoltaico anomalo hanno efficienze di generazione di energia molto basse, e non vengono mai utilizzati in pratici sistemi di generazione di energia.
Il team di Warwick si è chiesto se fosse possibile prendere i semiconduttori che sono efficaci nelle celle solari commerciali e manipolarli o spingerli in qualche modo in modo che anche loro potessero essere forzati in una struttura non centrosimmetrica e possibilmente quindi anche beneficiare dell'effetto fotovoltaico di massa .
Professore Marino Alexe, Università di Warwick. Credito:Università di Warwick
Per questo articolo hanno deciso di provare a spingere letteralmente in forma tali semiconduttori utilizzando punte conduttive da dispositivi di microscopia a forza atomica a un "nano-indentatore" che hanno poi usato per spremere e deformare singoli cristalli di titanato di stronzio (SrTiO3), Biossido di titanio (TiO2), e silicio (Si).
Hanno scoperto che tutti e tre potevano essere deformati in questo modo per dare loro anche una struttura non centrosimmetrica e che erano effettivamente in grado di dare l'effetto fotovoltaico di massa.
Il professor Marin Alexe dell'Università di Warwick ha dichiarato:
"Ampliare la gamma di materiali che possono beneficiare dell'effetto fotovoltaico bulk ha diversi vantaggi:non è necessario formare alcun tipo di giunzione; per le celle solari si può scegliere qualsiasi semiconduttore con un migliore assorbimento della luce, e infine, il limite termodinamico ultimo dell'efficienza di conversione di potenza, il cosiddetto limite di Shockley-Queisser, può essere superato. Ci sono sfide ingegneristiche, ma dovrebbe essere possibile creare celle solari in cui un campo di semplici punte a base di vetro (cento milioni per cm2) potrebbe essere tenuto in tensione per deformare sufficientemente ogni cristallo semiconduttore. Se tale ingegneria futura potesse aggiungere anche un solo punto percentuale di efficienza, avrebbe un immenso valore commerciale per i produttori di celle solari e i fornitori di energia".
