Essendo la tecnologia energetica in più rapida crescita al mondo, l'energia solare continua a rappresentare sempre più l'approvvigionamento energetico mondiale. Attualmente, la maggior parte dell'energia fotovoltaica commerciale proviene da materiali semiconduttori sfusi. Ma negli ultimi anni, gli scienziati hanno studiato come le nanostrutture di semiconduttori possono aumentare l'efficienza delle celle solari e il nuovo campo dei combustibili solari.
Sebbene ci siano state alcune controversie su quanto la nanoscienza possa migliorare le celle solari, una recente panoramica di questa ricerca di Arthur Nozik, ricercatore presso il National Renewable Energy Laboratory (NREL) e professore presso l'Università del Colorado, mostra che le nanostrutture di semiconduttori hanno un potenziale significativo per convertire l'energia solare in elettricità.
Nella sua panoramica, che è pubblicato in un recente numero di Nano lettere , Nozik ha riassunto lo stato attuale di diversi approcci per migliorare il fotovoltaico con la nanoscienza. Come spiega, i vantaggi delle nanostrutture a semiconduttore derivano dal confinamento quantistico di elettroni negativi e lacune positive in regioni di spazio molto piccole nei nanocristalli. Il confinamento quantistico può verificarsi in uno, due o tre dimensioni; in tre dimensioni, i semiconduttori sono chiamati punti quantici. In ogni regime, il confinamento quantistico produce effetti di quantizzazione, con conseguente proprietà ottiche ed elettroniche uniche.
“Ci sono due principali vantaggi teorici nell'incorporare punti quantici nelle celle solari e nel fotovoltaico:maggiore efficienza e costi inferiori, Nozik ha detto a PhysOrg.com. “Esiste una possibilità teorica basata su calcoli termodinamici di aumentare l'efficienza delle attuali celle solari di una quantità molto significativa del 50-100%. Inoltre, i punti quantici potrebbero ridurre il costo di capitale della produzione di celle solari in termini di costo per unità di superficie. La combinazione di un minor costo per unità di superficie e una maggiore efficienza di conversione ridurrebbe il costo dell'energia fotovoltaica espresso come costo per watt di picco. Le attuali celle al silicio sono costose (circa tre volte il costo dell'elettricità convenzionale), ma i punti quantici si basano su metodi chimici di soluzioni a bassa temperatura meno costosi, inoltre potrebbero produrre efficienze di conversione più elevate. Però, c'è ancora molto lavoro da fare prima che i punti quantici siano disponibili in commercio".
Il principio di base delle celle solari fotovoltaiche è quello di assorbire i fotoni dalla radiazione solare incidente con energie al di sopra della banda proibita del semiconduttore, e utilizzare i fotoni per creare elettroni liberi e lacune (chiamati portatori di carica). Per aumentare l'efficienza del sistema, è importante formare quanti più portatori di carica possibile dai fotoni assorbiti. È qui che gli effetti di confinamento quantistico diventano molto utili, poiché gli effetti accoppiano elettroni e lacune fotogenerati in coppie elettrone-lacuna legate chiamate eccitoni, e incoraggiare la formazione efficiente di più di un eccitone da un singolo fotone assorbito. In punti quantici. il processo è chiamato generazione di eccitoni multipli (MEG). Tra i suoi vantaggi, Il MEG è più efficiente e può verificarsi con fotoni a energia inferiore nella regione visibile dello spettro solare rispetto a un processo di moltiplicazione dei portatori di carica nei semiconduttori sfusi (un processo chiamato ionizzazione da impatto, che è generalmente limitato alla regione dell'ultravioletto dove i fotoni solari sono assenti o scarsi).
Per generare più eccitoni, il processo MEG deve competere con il rapido raffreddamento degli eccitoni fotogenerati iniziali ad alta energia (chiamati “eccitoni caldi”). Gli eccitoni caldi sono creati dall'assorbimento di fotoni energetici blu o quasi ultravioletti. Nei semiconduttori sfusi a temperatura ambiente e oltre, gli elettroni e le lacune fotogenerati sono disaccoppiati ed esistono come portatori di carica liberi (chiamati “portatori caldi”). L'energia in eccesso degli eccitoni caldi o dei portatori caldi può perdere rapidamente la loro energia cinetica in eccesso attraverso le interazioni elettrone-fonone e convertirla in calore, che rappresenta una significativa perdita di efficienza di conversione. Però, Nozik osserva che, nonostante qualche polemica, studi recenti hanno dimostrato che la velocità di MEG può essere molto più veloce della velocità di raffreddamento degli eccitoni caldi, con conseguente maggiore efficienza complessiva della moltiplicazione di coppie elettrone-lacuna. Ma nonostante le prime segnalazioni iniziali di rese quantistiche del 200% nelle celle fotoelettriche fotoelettrochimiche a punti quantici, nessun dispositivo fotovoltaico basato su punti quantici fino ad oggi ha mostrato un'effettiva efficienza di conversione della potenza migliorata grazie al MEG.
"In genere, l'obiettivo è produrre sistemi che abbiano efficienze prossime al limite teorico, "Nozik ha detto. “L'efficienza teorica è di circa il 45%, mentre l'efficienza di laboratorio delle attuali celle solari a punti quantici è di circa il 3-5%. Questo è un grande divario; dobbiamo capire cosa limita l'efficienza in questi nuovi approcci”.
Nonostante le polemiche su MEG, Nozik conclude che le possibilità di celle solari a punti quantici e altre nanostrutture che utilizzano il confinamento quantistico sembrano promettenti, anche se c'è ancora molto lavoro da fare. Un problema che può aiutare MEG a raggiungere il suo pieno potenziale è garantire che gli eccitoni aggiuntivi vengano raccolti rapidamente, poiché decadono entro circa 20-100 picosecondi dopo la formazione. Più importante, Nozik sottolinea che i ricercatori dovrebbero sforzarsi di raggiungere la massima efficienza teorica delle celle solari.
"C'è un certo grado di controversia su questi approcci di terza generazione perché sono nuovi e non completamente compresi, "Nozik ha detto. "Nel passato, alcuni risultati non possono essere riprodotti in laboratori diversi. Ma ora sempre più persone negli ultimi anni stanno riproducendo risultati positivi. Los Alamos e NREL stanno misurando questi effetti in un nuovo US DOE Energy Frontier Research Center con tecniche diverse, e ottenendo la stessa risposta. Quindi è un effetto reale, un effetto positivo. Però, alcune persone sono ancora scettiche e pensano che non raggiungeremo mai quei valori [di efficienza teorica]. Ma non c'è una ragione fondamentale per cui non possiamo raggiungere quei valori. Ci vuole solo più ricerca, più sforzo, e più comprensione.”
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