(PhysOrg.com) -- Gli ingegneri di Stanford sono riusciti a sfruttare la plasmonica, un ramo emergente della scienza e della tecnologia, per intrappolare la luce in modo più efficace all'interno di celle solari sottili. Di conseguenza, siamo un passo più vicini al sottile, celle solari economiche.

I ricercatori nel campo dell'energia solare parlano di un giorno in cui milioni di metri quadrati altrimenti incolti di tetti inondati di sole, finestre, deserti e persino vestiti saranno integrati con celle solari poco costose che sono molte volte più sottili e leggere degli ingombranti pannelli sul tetto oggi noti.

Così, quando il tuo iPod è sul cenno del capo, potresti collegarlo alla maglietta per ricaricarlo. Perso nel Serengeti con un cellulare danneggiato? Nessun problema; arrotolato nello zaino c'è un leggero tampone solare. Navigare per i sette mari e il tuo GPS ha bisogno di un po' di succo? Issa una vela solare e diventa tutt'uno con gli dei dell'orbita geosincrona.

Non è difficile immaginare un momento in cui tali tecnologie saranno onnipresenti nelle nostre vite sempre più affamate di energia. Quel giorno potrebbe arrivare un po' prima grazie a un team multidisciplinare di ingegneri di Stanford guidati da Mike McGehee, Yi Cui e Mark Brongersma, e affiancato da Michael Graetzel presso l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL).

Onde di energia

In un articolo pubblicato su Materiali energetici avanzati , il team di Stanford/EPFL ha annunciato un nuovo tipo di cella solare sottile che potrebbe offrire una nuova direzione per il settore. Sono riusciti a sfruttare la plasmonica, una branca emergente della scienza e della tecnologia, per intrappolare in modo più efficace la luce all'interno di celle solari sottili per migliorare le prestazioni e avvicinarle di un passo alla realtà quotidiana.

"La plasmonica rende molto più facile migliorare l'efficienza delle celle solari, " ha detto McGehee, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali a Stanford.

McGehee è il direttore di CAMP – il Center for Advanced Molecular Photovoltaics – un centro multidisciplinare, team multiuniversitario che affronta le sfide delle celle solari a film sottile.

"Utilizzando la plasmonica possiamo assorbire la luce in pellicole più sottili che mai, " ha detto McGehee. "Più sottile è il film, quanto più le particelle cariche sono vicine agli elettrodi. In sostanza, più elettroni possono arrivare all'elettrodo per diventare elettricità."

La plasmonica è lo studio dell'interazione tra luce e metallo. In circostanze precise, queste interazioni creano un flusso di alta frequenza, onde elettriche dense piuttosto che particelle di elettroni. L'impulso elettronico viaggia in onde estremamente veloci di maggiore e minore densità, come un suono attraverso l'aria.

Una perfetta cialda solare

Il momento della lampadina per il team è arrivato quando hanno impresso uno schema a nido d'ape di fossette su nanoscala in uno strato di metallo all'interno della cella solare. Pensalo come un waffle su nanoscala, solo le protuberanze sulla piastra per cialde sono cupole anziché cubi - nanodome per l'esattezza, ciascuno solo pochi miliardesimi di metro di diametro.

Per modellare la loro cialda, McGehee e i membri del team hanno steso un sottile strato di pastella su una superficie trasparente, base elettricamente conduttiva. Questa pastella è principalmente titania, un metallo semiporoso che è anche trasparente alla luce. Prossimo, usano il loro nano waffle per imprimere le fossette nella pastella. Prossimo, si sovrappongono a un po' di burro - un colorante sensibile alla luce - che trasuda nelle fossette e nei pori della cialda. Infine, gli ingegneri aggiungono dello sciroppo, uno strato d'argento, che si indurisce quasi subito.

Quando tutte quelle nanofosse si riempiranno, il risultato è un modello di nanodome sul lato verso la luce dell'argento.

Questo strato irregolare di argento ha due vantaggi principali. Primo, fa da specchio, disperdere la luce non assorbita nella tintura per un altro colpo alla raccolta. Secondo, la luce interagisce con le nanodome d'argento per produrre effetti plasmonici. Quelle cupole d'argento sono cruciali. I riflettori senza di loro non produrranno l'effetto desiderato. E nemmeno le vecchie nanodome andranno bene; devono essere del diametro e dell'altezza giusti, e distanziati così, per ottimizzare completamente la plasmonica.

Se immagini di te stesso nano che osserva una di queste celle solari al rallentatore, vedresti i fotoni entrare e passare attraverso la base trasparente e la titania (la cialda), a quel punto alcuni fotoni verrebbero assorbiti dal colorante fotosensibile (il burro), creando una corrente elettrica. La maggior parte dei fotoni rimanenti colpirebbe il riflettore posteriore d'argento (lo sciroppo indurito) e rimbalzerebbe nella cella solare. Una certa porzione dei fotoni che raggiungono l'argento, però, colpirà le nanodome e farà sì che le onde plasmoniche si dirigano verso l'esterno. Ed ecco qua:la prima cella solare sensibile al colorante plasmonica.

Intrappolare la luce fantastico

È facile capire perché i ricercatori si concentrino sulla tecnologia solare a film sottile. Negli ultimi anni, molta speranza è stata rivolta verso questi leggeri, celle flessibili che utilizzano coloranti fotosensibili per generare elettricità. Queste celle hanno molti vantaggi:consumano meno energia e sono meno costose da produrre, scorre come carta da giornale da enormi rotative. Sono più sottili anche di altre celle solari "sottili". Sono inoltre stampabili su basi flessibili che possono essere arrotolate e portate praticamente ovunque. Molti usano non tossico, materiali disponibili in abbondanza, anche – un enorme vantaggio nella spinta per la sostenibilità.

Le celle solari sensibilizzate al colorante non sono esenti da sfide, però. prima di tutto, i migliori convertono solo una piccola percentuale di luce in elettricità, circa l'8%. Le tecnologie commerciali più ingombranti oggi disponibili hanno raggiunto il 25% di efficienza, e alcune applicazioni avanzate hanno superato il 40%. E poi c'è la durabilità. L'ultima cella solare sottile durerà circa sette anni sotto continua esposizione agli elementi. Non male finché non si considera che dai 20 ai 30 anni è lo standard commerciale.

Sia l'efficienza che l'affidabilità dovranno migliorare. Ciò nonostante, ingegneri come McGehee credono che se possono convertire solo il 15 percento della luce in elettricità - una cifra che non è fuori portata - e prendere in giro la durata della vita a un decennio, potremmo presto trovarci nell'era delle celle solari personali. Un progresso come la plasmonica potrebbe fornire la scintilla necessaria per portare il campo su un percorso nuovo ed eccitante.

Una questione di economia

Più economico e più pulito saranno le chiavi. L'energia dal carbone è abbondante ed economica, ma ha anche un forte costo ambientale in paesaggi scavati e cieli inquinati. Alle tariffe commerciali odierne, però, anche le migliori alternative solari costano cinque volte di più per chilowattora rispetto al carbone. È chiaro che l'economia, e non tecnologia, è ciò che si frappone tra noi e il nostro futuro solare.

Ma McGehee e altri sono fiduciosi di poter rendere più attraenti le celle solari sottili.