Convertire la luce solare in elettricità potrebbe non significare più grandi pannelli di celle fotovoltaiche su superfici piane come i tetti.

Utilizzando nanostrutture di ossido di zinco cresciute su fibre ottiche e rivestite con materiali di celle solari sensibilizzate a colorante, i ricercatori del Georgia Institute of Technology hanno sviluppato un nuovo tipo di sistema fotovoltaico tridimensionale. L'approccio potrebbe consentire ai sistemi fotovoltaici di essere nascosti alla vista e posizionati lontano da luoghi tradizionali come i tetti.

"Utilizzando questa tecnologia, possiamo realizzare generatori fotovoltaici pieghevoli, nascosto e mobile, " ha detto Zhong Lin Wang, un professore Regents presso la Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. "La fibra ottica potrebbe condurre la luce solare nelle pareti di un edificio dove le nanostrutture la convertirebbero in elettricità. Questa è davvero una cella solare tridimensionale".

I dettagli della ricerca sono stati pubblicati nella prima visione della rivista Angewandte Chemie International il 22 ottobre. Il lavoro è stato sponsorizzato dalla Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), la KAUST Global Research Partnership e la National Science Foundation.

Le celle solari sensibilizzate al colorante utilizzano un sistema fotochimico per generare elettricità. Sono poco costosi da produrre, flessibile e meccanicamente robusto, ma il loro compromesso per un costo inferiore è l'efficienza di conversione inferiore a quella delle celle a base di silicio. Ma l'utilizzo di array di nanostrutture per aumentare la superficie disponibile per convertire la luce potrebbe aiutare a ridurre lo svantaggio di efficienza, offrendo allo stesso tempo ad architetti e designer nuove opzioni per incorporare il fotovoltaico negli edifici, veicoli e persino attrezzature militari.

La fabbricazione del nuovo impianto fotovoltaico Georgia Tech inizia con la fibra ottica del tipo utilizzato dall'industria delle telecomunicazioni per il trasporto dei dati. Primo, i ricercatori rimuovono lo strato di rivestimento, quindi applicare un rivestimento conduttivo sulla superficie della fibra prima di seminare la superficie con ossido di zinco. Prossimo, usano tecniche consolidate basate su soluzioni per far crescere nanofili di ossido di zinco allineati attorno alla fibra in modo molto simile alle setole di uno scovolino. I nanofili vengono quindi rivestiti con materiali sensibilizzati al colorante che convertono la luce in elettricità.

La luce solare che entra nella fibra ottica passa nei nanofili, dove interagisce con le molecole di colorante per produrre corrente elettrica. Un elettrolita liquido tra i nanofili raccoglie le cariche elettriche. Il risultato è un sistema ibrido nanocavo/fibra ottica che può essere fino a sei volte più efficiente delle celle planari all'ossido di zinco con la stessa area superficiale.

"In ogni riflesso all'interno della fibra, la luce ha l'opportunità di interagire con le nanostrutture che sono rivestite con le molecole di colorante, " Wang ha spiegato. "Hai più riflessi di luce all'interno della fibra, e riflessioni multiple all'interno delle nanostrutture. Queste interazioni aumentano la probabilità che la luce interagisca con le molecole di colorante, e questo aumenta l'efficienza."

Wang e il suo team di ricerca hanno raggiunto un'efficienza del 3,3% e sperano di raggiungere il 7-8 percento dopo la modifica della superficie. Sebbene inferiore alle celle solari al silicio, questa efficienza sarebbe utile per la raccolta pratica di energia. Se possono farlo, il costo potenzialmente inferiore del loro approccio potrebbe renderlo attraente per molte applicazioni.

Fornendo un'area più ampia per raccogliere la luce, la tecnica massimizzerebbe la quantità di energia prodotta dalla forte luce solare, oltre a generare livelli di potenza rispettabili anche in condizioni di scarsa illuminazione. La quantità di luce che entra nella fibra ottica potrebbe essere aumentata utilizzando lenti per focalizzare la luce in entrata, e la cella solare a base di fibra ha un'intensità di saturazione molto elevata, ha detto Wang.

Wang ritiene che questa nuova struttura offrirà ad architetti e designer di prodotti un formato fotovoltaico alternativo da incorporare in altre applicazioni.

"Questo fornirà davvero alcune nuove opzioni per i sistemi fotovoltaici, " Wang ha detto. "Potremmo eliminare i problemi estetici degli array fotovoltaici sull'edificio. Possiamo anche immaginare sistemi fotovoltaici per fornire energia ai veicoli parcheggiati, e per caricare attrezzature militari mobili dove gli array tradizionali non sono pratici o non vorresti usarli."

Wang e il suo gruppo di ricerca, che include Benjamin Weintraub e Yaguang Wei, hanno prodotto generatori su fibra ottica fino a 20 centimetri di lunghezza. "Più lungo è meglio è, " ha detto Wang, "perché più a lungo la luce può viaggiare lungo la fibra, più rimbalzi farà e più sarà assorbito."

Finora è stata utilizzata la tradizionale fibra ottica al quarzo, ma Wang vorrebbe utilizzare una fibra polimerica meno costosa per ridurre i costi. Sta anche valutando altri miglioramenti, come un metodo migliore per raccogliere le cariche e un rivestimento superficiale in ossido di titanio che potrebbe aumentare ulteriormente l'efficienza.

Sebbene possa essere utilizzato per impianti fotovoltaici di grandi dimensioni, Wang non si aspetta che le sue celle solari sostituiranno presto i dispositivi al silicio. Ma crede che amplieranno le potenziali applicazioni dell'energia fotovoltaica.

"Questo è un modo diverso per raccogliere energia dal sole, " Wang ha detto. "Per soddisfare il nostro fabbisogno energetico, abbiamo bisogno di tutti gli approcci possibili".

Fonte:Georgia Institute of Technology