La conversione diretta della luce solare in elettricità mediante il fotovoltaico sta diventando una tecnologia sempre più importante per la generazione di energia rinnovabile in sostituzione dei combustibili fossili, con applicazioni dalla generazione su larga scala ai pannelli solari sul tetto e persino ai telefoni cellulari. Ma il fotovoltaico rappresenta ancora solo una frazione marginale dell'approvvigionamento energetico globale. Uno dei motivi principali di ciò è il costo relativamente elevato del materiale di base, il silicio, utilizzato nel tipo più comune di cella solare.

Il silicio è un mezzo popolare per la conversione dell'energia solare a causa della sua elevata efficienza di conversione, ma la crescente domanda per il suo utilizzo nelle celle fotovoltaiche sta causando una carenza nella fornitura del silicio di alta qualità necessario per le applicazioni delle celle solari. La produzione del silicio e la fabbricazione delle celle solari richiedono anche camere bianche altamente controllate per la lavorazione dei semiconduttori, che si aggiunge al costo totale di produzione. Inoltre, vi sono crescenti richieste di mercato per grandi superfici, leggero, fonti di energia flessibili per l'elettronica portatile e l'alimentazione in aree remote. “Un basso costo, un'alternativa flessibile o un complemento al silicio è fondamentale per il futuro della tecnologia fotovoltaica, "dice Jie Zhang, responsabile del programma fotovoltaico e scienziato senior presso il gruppo Synthesis &Integration dell'A*STAR Institute of Materials Research and Engineering (IMRE).

Input organico

I ricercatori sui materiali stanno facendo ogni sforzo per ideare sistemi fotovoltaici che possano alleviare questa dipendenza dal silicio. All'IMRE, ricercatori stanno sviluppando semiconduttori organici, che potrebbe potenzialmente sostituire il silicio nelle celle solari, come parte del loro programma di elettronica stampabile. L'elettronica stampabile prevede l'uso di molecole semiconduttrici a base di polimeri, che possono essere facilmente disciolti in solvente come un inchiostro e stampati come circuiti su film flessibili senza la necessità di costose camere bianche. Un vantaggio significativo dell'elettronica stampabile è che la tecnologia è compatibile con le tecniche di stampa industriale esistenti. La tecnologia consente di esplorare applicazioni che richiedono estrema flessibilità, come display flessibili e carta elettronica.

La maggior parte delle celle fotovoltaiche è basata su silicio cristallino, che è la forma più costosa di silicio da produrre. Una seconda generazione di celle solari basata su silicio amorfo a film sottile molto più economico su vetro o metallo sta diventando disponibile in commercio sotto forma di retroilluminazione del display e applicazioni simili. Le celle fotovoltaiche basate su molecole organiche sono considerate la terza generazione di questa tecnologia, e l'approccio sta attirando l'attenzione per le possibilità di flessibilità meccanica e processabilità della soluzione. Le celle solari organiche sono anche attraenti perché sono adatte per l'uso in interni:a differenza dei dispositivi a base di silicio, le sostanze organiche possono generare energia in condizioni di scarsa illuminazione degli ambienti interni. L'applicazione pratica delle sostanze organiche nelle celle fotovoltaiche, però, è stato limitato a causa della scarsa efficienza di conversione dei composti organici noti per la luce naturale. “Vogliamo sviluppare materiali fotovoltaici organici che siano il più efficienti possibile nell'assorbire i fotoni della luce solare, "dice Zhikuan Chen, capogruppo e scienziato senior del gruppo di sintesi e integrazione dell'IMRE. Chen è responsabile dello sviluppo di polimeri semiconduttori ad alte prestazioni.

I derivati ​​del politiofene sono i materiali organici più studiati per il fotovoltaico, e alcuni rapporti hanno dimostrato che questi materiali hanno un'elevata mobilità di carica, che è un parametro importante delle prestazioni delle celle fotovoltaiche. Però, i ricercatori hanno trovato difficile ottenere contemporaneamente un'elevata efficienza di conversione e un'elevata mobilità di carica.

Nel loro studio più recente, Il team di Chen ha combinato il tiofene con il benzotiadiazolo per formare un copolimero con uno stretto gap energetico adatto all'assorbimento della luce solare. Un transistor ad effetto di campo basato su questo polimero ha raggiunto una mobilità di carica paragonabile a quella dei transistor ad effetto di campo basati su polimeri disponibili in commercio. Allo stesso tempo, il dispositivo ha raggiunto un'efficienza di conversione del 6,26%, uno dei migliori risultati per un polimero. "Stiamo ora lavorando su nuovi polimeri per la raccolta della luce e nuovi materiali per il trasporto di elettroni per migliorare l'efficienza di conversione al 10%, "dice Chen. A quel livello di efficienza, la produzione di massa di celle fotovoltaiche organiche diventerebbe praticabile.

Produzione roll-to-roll su vasta area di elettronica stampata e pellicole funzionali

La capacità di stampare o depositare molecole organiche e inorganiche su grandi aree apre anche una gamma di nuove applicazioni per il fotovoltaico organico di grandi aree, elettronica stampata e pellicole funzionali. Gli scienziati e gli ingegneri di A*STAR stanno ora lavorando per risolvere una serie di sfide del processo di produzione nell'ambito di un progetto "scale-up" condotto dal Singapore Institute of Manufacturing Technology (SIMTech). Il progetto scale-up è guidato dal team di Albert Lu, uno scienziato senior e un responsabile del programma per il programma di elaborazione su larga scala presso SIMTech.

Lu e i suoi colleghi stanno perseguendo piattaforme tecnologiche dirompenti per la produzione roll-to-roll di materiali funzionali stampabili organici e inorganici. Questo processo potrebbe essere utilizzato per la produzione in serie di dispositivi sia a film spesso che a film sottile, inclusi sensori, batterie e fotovoltaico. I ricercatori stanno esaminando in particolare come le molecole di "inchiostro" possono essere depositate con alta precisione su substrati flessibili fino a 1 metro di larghezza. Stanno anche studiando i processi per modellare, pellicole funzionali per goffratura e laminazione, nonché tecniche per l'ispezione del nastro e la meccatronica del nastro. A differenza della fabbricazione di circuiti elettronici convenzionali, che richiede la lavorazione in batch di wafer, i sistemi di elaborazione di grandi aree implicano un processo di produzione continuo simile a una macchina da stampa. “La lavorazione roll-to-roll pone sfide molto diverse da quelle della lavorazione convenzionale dei semiconduttori, ma si prevede che aprirà una nuova era di elettronica stampata e pellicole funzionali, "dice Lu.

SIMTech sta attualmente realizzando un sistema di produzione pilota in grado di elaborare elettronica stampata di grandi dimensioni e film funzionali fino a 1 metro di larghezza del nastro. Lu afferma che SIMTech sta anche collaborando a stretto contatto con l'industria della stampa e dei media a Singapore per cogliere opportunità di mercato rapidamente emergenti e sfruttare tecnologie di produzione ad alta velocità come la stampa a getto d'inchiostro, serigrafia e stampa flessografica.

Intrappolare fotoni con nanostrutture

I materiali organici sono promettenti per il fotovoltaico, dice Lu, ma non saranno in grado di sostituire completamente il silicio. Infatti, la ricerca per un uso più efficace del silicio è ancora molto viva. Presso l'A*STAR Institute of Microelectronics, Navab Singh, un investigatore principale del programma Nano Electronics &Photonics, sta apportando modifiche microelettroniche per migliorare l'utilità del silicio nel fotovoltaico.

Le classiche celle solari a base di silicio sono costituite da due strati di diversi tipi di silicio, di tipo n (ricco di elettroni) e di tipo p (ricco di lacune), che vengono messi in contatto per formare una giunzione elettronica. La corrente elettrica viene generata quando la luce che raggiunge il silicio rilascia elettroni liberi e coppie di lacune a breve distanza dall'interfaccia di giunzione. A causa della riflessione e dell'assorbimento della luce in luoghi lontani dalla giunzione, il numero di coppie elettrone-lacuna che partecipano alla generazione di energia è relativamente basso nella struttura classica. Per ovviare a queste carenze, Singh e i suoi colleghi ricercatori stanno tentando di impiantare centinaia di nanotubi, pilastri fotovoltaici a base di silicio sulla superficie del silicio. “Quando crei modelli su scala nanometrica sulla superficie superiore, non solo riduce la riflessione, ma può anche aumentare l'assorbimento della luce all'interno di uno strato di silicio molto sottile in modo che tutti i portatori possano essere generati vicino alla giunzione”, afferma Singh. "Questo processo riduce anche il costo dei materiali." Singh afferma che la tecnologia nanopillar del suo team richiede solo uno strato di 2 micrometri di spessore, rispetto agli strati spessi 300 micrometri necessari nei progetti precedenti.

Utilizzando questa tecnologia nanopillar, Singh ei suoi colleghi hanno recentemente dimostrato la più alta densità di corrente finora raggiunta per le celle solari nanostrutturate a base di silicio. Stanno anche cercando altri modi per migliorare ulteriormente le prestazioni. Uno dei temi in discussione attiva è come progettare i dispositivi fotovoltaici in modo da sfruttare appieno l'energia solare, come la progettazione di più giunzioni con vari materiali in lega di silicio e la progettazione di strutture che favoriscono la generazione di più coppie elettrone-lacuna. Anche la compatibilità con i processi di produzione dei semiconduttori esistenti è un parametro chiave di progettazione. “Stiamo sfruttando la tecnologia esistente per rendere le cose più eccitanti, "dice Singh.