Nel giro di pochi anni, le persone nei villaggi remoti del mondo in via di sviluppo potrebbero essere in grado di fabbricare i propri pannelli solari, a basso costo, utilizzando rifiuti agricoli altrimenti inutili come materia prima.

Questa è la visione del ricercatore del MIT Andreas Mershin, il cui lavoro appare questa settimana nella rivista ad accesso libero Rapporti scientifici . L'opera è un'estensione di un progetto iniziato otto anni fa da Shuguang Zhang, un ricercatore principale e direttore associato presso il Center for Biomedical Engineering del MIT. Zhang è stato autore senior del nuovo documento insieme a Michael Graetzel dell'École Polytechnique Fédérale de Lausanne in Svizzera.

Nella sua opera originale, Zhang è stato in grado di arruolare un complesso di molecole noto come fotosistema-I (PS-I), le minuscole strutture all'interno delle cellule vegetali che svolgono la fotosintesi. Zhang e colleghi hanno derivato il PS-I dalle piante, lo ha stabilizzato chimicamente e ha formato uno strato su un substrato di vetro che potrebbe, come una cella fotovoltaica convenzionale, produrre una corrente elettrica se esposto alla luce.

Ma quel primo sistema aveva alcuni inconvenienti. L'assemblaggio e la stabilizzazione richiedevano prodotti chimici costosi e sofisticate apparecchiature di laboratorio. Cosa c'è di più, la cella solare risultante era debole:la sua efficienza era di diversi ordini di grandezza troppo bassa per essere utile, il che significa che doveva essere fatto saltare con un laser ad alta potenza per produrre qualsiasi corrente.

Ora Mershin afferma che il processo è stato semplificato al punto che praticamente qualsiasi laboratorio potrebbe replicarlo, compresi i laboratori di scienze del college o persino delle scuole superiori, consentendo ai ricercatori di tutto il mondo di iniziare a esplorare il processo e ad apportare ulteriori miglioramenti. L'efficienza del nuovo sistema è 10, 000 volte maggiore rispetto alla versione precedente, sebbene convertendo solo lo 0,1 percento dell'energia solare in elettricità, ha ancora bisogno di migliorare di un'altra decina di volte per diventare utile, lui dice.

La chiave per ottenere questo enorme miglioramento dell'efficienza, Mershin spiega, stava trovando un modo per esporre al sole molto di più del complesso PS-I per superficie del dispositivo. Il lavoro precedente di Zhang produceva semplicemente un sottile strato piatto del materiale; L'ispirazione di Mershin per il nuovo progresso sono stati i pini in una foresta.

Mershin, uno scienziato ricercatore nel Centro per bit e atomi del MIT, notato che mentre la maggior parte dei pini aveva tronchi nudi e una chioma di rami solo in cima, alcuni avevano piccoli rami per tutta la lunghezza del tronco, catturando la luce del sole che scendeva dall'alto. Ha deciso di creare una foresta microscopica su un chip, con PS-I che riveste i suoi "alberi" dall'alto verso il basso.

Trasformare questa intuizione in un dispositivo pratico ha richiesto anni di lavoro, ma alla fine Mershin è stato in grado di creare una minuscola foresta di nanofili di ossido di zinco (ZnO) e una nanostruttura di biossido di titanio (TiO2) simile a una spugna rivestita con il materiale che raccoglie la luce derivato dai batteri. I nanofili non servivano solo come struttura di supporto per il materiale, ma anche come fili per portare il flusso di elettroni generati dalle molecole fino allo strato di materiale di supporto, da cui potrebbe essere collegato a un circuito. “È come una nanoforesta elettrica, "dice.

Come bonus, sia l'ossido di zinco che il biossido di titanio, l'ingrediente principale di molti filtri solari, sono molto efficaci nell'assorbire la luce ultravioletta. Questo è utile in questo caso perché l'ultravioletto tende a danneggiare PS-I, ma in queste strutture quella luce dannosa viene assorbita dalla struttura di supporto.

Mershin pensa che poiché lui e i suoi colleghi hanno abbassato la barriera all'ingresso per ulteriori lavori su questi materiali, i progressi verso il miglioramento della loro efficienza dovrebbero essere rapidi. In definitiva, una volta che l'efficienza raggiunge l'1 o il 2%, lui dice, che sarà abbastanza buono per essere utile, perché gli ingredienti sono così economici e la lavorazione così semplice.

“Puoi usare qualsiasi cosa verde, anche l'erba tagliata” come materia prima, dice - in alcuni casi, rifiuti che altrimenti la gente pagherebbe per portare via. Mentre le centrifughe venivano usate per concentrare le molecole PS-I, il team ha proposto un modo per raggiungere questa concentrazione utilizzando membrane poco costose per la filtrazione. Non sono necessarie condizioni speciali di laboratorio, Mershin dice:“Può essere molto sporco e funziona ancora, per il modo in cui la natura lo ha progettato. La natura lavora in ambienti sporchi:è il risultato di miliardi di esperimenti nel corso di miliardi di anni».

Poiché il sistema è così economico e semplice, spera che questo diventi un "modo per fornire elettricità a bassa tecnologia a persone che non sono mai state considerate consumatori o produttori di tecnologia solare". “un foglio di istruzioni del fumetto, senza parole." L'unico ingrediente da acquistare sarebbero prodotti chimici per stabilizzare le molecole PS-I, che potrebbe essere confezionato a buon mercato in un sacchetto di plastica.

Essenzialmente, Mershin dice, nel giro di pochi anni un abitante di un villaggio in un remoto, posizione off-grid potrebbe "prendere quella borsa, mescolalo con qualsiasi cosa verde e dipingilo sul tetto” per iniziare a produrre energia, che potrebbe quindi caricare cellulari o lanterne. Oggi, la fonte di illuminazione più utilizzata in tali luoghi sono le lanterne a cherosene - "la più costosa, la forma di illuminazione più malsana che ci sia, lui dice. “L'illuminazione notturna è il modo numero uno per uscire dalla povertà, "aggiunge, perché permette a chi lavora nei campi tutto il giorno di leggere di notte e di ricevere un'istruzione.

Babak Parviz, un professore associato di ingegneria elettrica presso l'Università di Washington, specializzato in bionanotecnologia, dice che questo è “un documento molto eccitante e un bel passo verso l'integrazione di biomolecole per la costruzione di celle solari. Questo mostra un primo passo molto promettente e creativo verso la costruzione di celle fotovoltaiche organiche in grado di utilizzare nuclei prodotti biologicamente (naturalmente). "Ulteriori lavori sul campo possono forse migliorare la stabilità e le prestazioni di questi dispositivi".

La ricerca è stata finanziata in parte da una sovvenzione illimitata di Intel Corp., e comprendeva anche ricercatori dell'Università del Tennessee.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.