Il sole fornisce energia più che sufficiente per tutte le nostre esigenze, se solo potessimo sfruttarlo in modo economico ed efficiente. L'energia solare potrebbe fornire un'alternativa pulita ai combustibili fossili, ma l'alto costo delle celle solari è stato uno dei principali ostacoli al loro uso diffuso.
I ricercatori di Stanford hanno scoperto che l'aggiunta di un singolo strato di molecole organiche a una cella solare può aumentare la sua efficienza di tre volte e potrebbe portare a costi più economici, pannelli solari più efficienti. I loro risultati sono stati pubblicati online in ACS Nano il 7 febbraio
La professoressa di ingegneria chimica Stacey Bent si è interessata per la prima volta a un nuovo tipo di tecnologia solare due anni fa. Queste celle solari utilizzavano minuscole particelle di semiconduttori chiamate "punti quantici". Le celle solari a punti quantici sono più economiche da produrre rispetto a quelle tradizionali, in quanto possono essere realizzati utilizzando semplici reazioni chimiche. Ma nonostante la loro promessa, sono rimasti molto indietro rispetto alle celle solari esistenti in termini di efficienza.
"Mi chiedevo se potessimo usare la nostra conoscenza della chimica per migliorare la loro efficienza, "
ha detto piegato. Se lei potesse farlo, il costo ridotto di queste celle solari potrebbe portare all'adozione di massa della tecnologia.
Bent parlerà della sua ricerca domenica, 20 febbraio alla riunione annuale dell'Associazione americana per l'avanzamento della scienza a Washington, D.C.
In linea di principio, le celle a punti quantici possono raggiungere un'efficienza molto più elevata, piegato ha detto, a causa di una limitazione fondamentale delle celle solari tradizionali.
Le celle solari funzionano utilizzando l'energia del sole per eccitare gli elettroni. Gli elettroni eccitati saltano da un livello energetico inferiore a uno superiore, lasciando dietro di sé un "buco" dove si trovava l'elettrone. Le celle solari usano un semiconduttore per tirare un elettrone in una direzione, e un altro materiale per tirare il foro nell'altra direzione. Questo flusso di elettroni e lacune in direzioni diverse porta a una corrente elettrica.
Ma ci vuole una certa energia minima per separare completamente l'elettrone e il buco. La quantità di energia richiesta è specifica per i diversi materiali e influenza il colore, o lunghezza d'onda, di luce che il materiale assorbe meglio. Il silicio è comunemente usato per produrre celle solari perché l'energia richiesta per eccitare i suoi elettroni corrisponde strettamente alla lunghezza d'onda della luce visibile.
Ma le celle solari realizzate con un unico materiale hanno un'efficienza massima di circa il 31 percento, una limitazione del livello di energia fisso che possono assorbire.
Le celle solari a punti quantici non condividono questa limitazione e in teoria possono essere molto più efficienti. I livelli di energia degli elettroni nei semiconduttori a punti quantici dipendono dalle loro dimensioni:più piccolo è il punto quantico, maggiore è l'energia necessaria per eccitare gli elettroni al livello successivo.
Quindi i punti quantici possono essere sintonizzati per assorbire una certa lunghezza d'onda della luce semplicemente cambiando le loro dimensioni. E possono essere usati per costruire celle solari più complesse che hanno più di una dimensione di punto quantico, permettendo loro di assorbire più lunghezze d'onda della luce.
A causa di questi vantaggi, Bent e i suoi studenti hanno studiato modi per migliorare l'efficienza delle celle solari a punti quantici, insieme al Professore Associato Michael McGehee del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali.
I ricercatori hanno rivestito un semiconduttore di biossido di titanio nella loro cella solare a punti quantici con un singolo strato molto sottile di molecole organiche. Queste molecole si autoassemblavano, il che significa che le loro interazioni li hanno portati a fare i bagagli in modo ordinato. I punti quantici erano presenti all'interfaccia di questo strato organico e del semiconduttore. Gli studenti di Bent hanno provato diverse molecole organiche nel tentativo di imparare quali avrebbero aumentato maggiormente l'efficienza delle celle solari.
Ma ha scoperto che la molecola esatta non aveva importanza:solo avere un singolo strato organico di spessore inferiore a un nanometro era sufficiente per triplicare l'efficienza delle celle solari. "Siamo rimasti sorpresi, abbiamo pensato che sarebbe stato molto sensibile a ciò che abbiamo scritto, " ha detto Bent.
Ma ha detto che il risultato aveva un senso col senno di poi, e i ricercatori hanno ideato un nuovo modello:è la lunghezza della molecola, e non la sua esatta natura, quello che conta. Molecole troppo lunghe non consentono ai punti quantici di interagire bene con il semiconduttore.
La teoria di Bent è che una volta che l'energia del sole crea un elettrone e un buco, il sottile strato organico aiuta a tenerli separati, impedendo loro di ricombinarsi e di essere sprecati. Il gruppo deve ancora ottimizzare le celle solari, e hanno attualmente raggiunto un'efficienza di, al massimo, 0,4 per cento. Ma il gruppo può sintonizzare diversi aspetti della cellula, e una volta che lo fanno, l'aumento di tre volte causato dallo strato organico sarebbe ancora più significativo.
Bent ha affermato che i punti quantici di solfuro di cadmio che sta attualmente utilizzando non sono ideali per le celle solari, e il gruppo proverà materiali diversi. Ha detto che avrebbe provato anche altre molecole per lo strato organico, e potrebbe cambiare il design della cella solare per cercare di assorbire più luce e produrre più carica elettrica. Una volta che Bent ha trovato un modo per aumentare l'efficienza delle celle solari a punti quantici, ha detto che spera che il loro costo inferiore porti a una più ampia accettazione dell'energia solare.
