Questa immagine generata al computer mostra nanotubi, 10, 000 volte più piccolo della larghezza di un capello umano, che comprendono una nuova tecnica sviluppata ad Argonne per "crescere" le celle solari. Immagine per gentile concessione di Seth Darling (del Center for Nanoscale Materials) e dell'Argonne National Laboratory.
(PhysOrg.com) -- Gli scienziati dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno perfezionato una tecnica per produrre celle solari creando tubi di materiale semiconduttore e quindi "coltivando" polimeri direttamente al loro interno. Il metodo ha il potenziale per essere significativamente più economico rispetto al processo utilizzato per realizzare le celle solari commerciali di oggi.
Poiché i costi di produzione dell'odierna generazione di celle solari impediscono loro di competere economicamente con i combustibili fossili, I ricercatori di Argonne stanno lavorando per reimmaginare il design di base della cella solare. La maggior parte delle attuali celle solari utilizza silicio cristallino o tellururo di cadmio, ma coltivare un cristallo di elevata purezza richiede molta energia e lavoro, rendendo le celle costose.
La prossima generazione, chiamate celle solari ibride, utilizza una miscela di materiali organici e inorganici più economici. Per combinare efficacemente questi materiali, I ricercatori di Argonne hanno creato una nuova tecnica per far crescere polimeri organici direttamente all'interno di nanotubi inorganici.
Al suo livello più elementare, la tecnologia delle celle solari si basa su una serie di processi avviati quando i fotoni, o particelle di luce, colpire materiale semiconduttore. Quando un fotone colpisce la cellula, eccita un elettrone dal suo stato iniziale, lasciando dietro di sé un "buco" di carica positiva.
Le celle solari ibride contengono due tipi separati di materiale semiconduttore:uno conduce elettroni, gli altri fori. All'incrocio tra i due semiconduttori, la coppia elettrone-lacuna viene separata, creando una corrente.
Nello studio, Il nanoscienziato di Argonne Seth Darling e i colleghi di Argonne e dell'Università di Chicago hanno dovuto ripensare alla geometria dei due materiali. Se i due semiconduttori sono posti troppo distanti, la coppia elettrone-lacuna morirà durante il trasporto. Però, se sono imballati troppo vicini, le cariche separate non usciranno dalla cella.
Nel progettare un'alternativa, gli scienziati hanno accoppiato un polimero coniugato donatore di elettroni con l'accettore di elettroni biossido di titanio (TiO 2 ).
Il biossido di titanio forma facilmente minuscoli tubi di appena decine di nanometri di diametro:10, 000 volte più piccolo di un capello umano. Righe di minuscoli, nanotubi uniformi spuntano attraverso un film di titanio che è stato immerso in un bagno elettrochimico.
Il passo successivo ha richiesto ai ricercatori di riempire i nanotubi con il polimero organico, un processo frustrante.
Un'immagine al microscopio elettronico di nanotubi di TiO2 cresciuti elettrochimicamente. 10, 000 volte più piccolo della larghezza di un capello umano, i tubi sono riempiti con polimero organico in una nuova tecnica sviluppata ad Argonne per "crescere" celle solari con il potenziale per essere più economiche delle attuali celle solari. Immagine per gentile concessione di Seth Darling (del Center for Nanoscale Materials) e dell'Argonne National Laboratory.
"Riempire i nanotubi di polimero è come cercare di infilare degli spaghetti bagnati in un tavolo pieno di minuscoli fori, "Darling ha detto. "Il polimero finisce per piegarsi e torcersi, il che porta a inefficienze sia perché intrappola sacche d'aria mentre scorre sia perché anche i polimeri attorcigliati non conducono cariche.
"Inoltre, questo polimero non ama il biossido di titanio, " Darling ha aggiunto. "Quindi si allontana dall'interfaccia ogni volta che può".
Cercando di eludere questo problema, il team ha avuto l'idea di far crescere il polimero direttamente all'interno dei tubi. Hanno riempito i tubi con un precursore polimerico, acceso la luce ultravioletta, e lasciare che i polimeri crescano all'interno dei tubi.
Cresciuto in questo modo, il polimero non rifugge dal TiO 2 . Infatti, i test suggeriscono che i due materiali effettivamente si mescolano a livello molecolare; insieme sono in grado di catturare la luce a lunghezze d'onda inaccessibili a nessuno dei due materiali da soli. Questo metodo "fatto in casa" è potenzialmente molto meno costoso del processo ad alta intensità energetica che produce i cristalli di silicio utilizzati nelle celle solari di oggi.
Questi dispositivi superano notevolmente quelli fabbricati riempiendo i nanotubi con polimero pre-coltivato, producendo circa 10 volte più elettricità dalla luce solare assorbita. Le celle solari prodotte con questa tecnica, però, attualmente non sfruttano la maggior parte dell'energia disponibile dalla luce solare come le celle di silicio possono. Darling spera che ulteriori esperimenti miglioreranno l'efficienza delle cellule.
Maggiori informazioni: La carta, dal titolo "Celle solari ibride migliorate tramite polimerizzazione UV in situ", è stato pubblicato sulla rivista Piccolo ed è disponibile online.
Fornito da Argonne National Laboratory (news :web)
