Per produrre la massima quantità di energia, le celle solari sono progettate per assorbire quanta più luce possibile dal sole. Ora i ricercatori dell'Università della California, Berkeley, hanno suggerito – e dimostrato – un concetto controintuitivo:le celle solari dovrebbero essere progettate per essere più simili ai LED, in grado di emettere luce oltre ad assorbirla.

"Ciò che abbiamo dimostrato è che quanto migliore è una cella solare nell'emissione di fotoni, maggiore è la sua tensione e maggiore è l'efficienza che può produrre, "dice Eli Yablonovitch, ricercatore principale e professore di ingegneria elettrica alla UC Berkeley.

Dal 1961, gli scienziati lo sapevano, in condizioni ideali, c'è un limite alla quantità di energia elettrica che può essere raccolta dalla luce solare che colpisce una tipica cella solare. Questo limite assoluto è, teoricamente, circa il 33,5 per cento. Ciò significa che al massimo il 33,5% dell'energia proveniente dai fotoni in arrivo sarà assorbita e convertita in energia elettrica utile.

Eppure per cinque decenni, i ricercatori non sono stati in grado di avvicinarsi a questa efficienza:a partire dal 2010, il più alto che chiunque fosse arrivato era appena più del 26 percento. (Questo è per piatto piano, celle solari a "giunzione singola", che assorbono le onde luminose al di sopra di una frequenza specifica. Celle "multigiunzione", che hanno più strati e assorbono più frequenze, sono in grado di raggiungere efficienze più elevate.)

Più recentemente, Yablonovitch ei suoi colleghi stavano cercando di capire perché c'è stato un così grande divario tra il limite teorico e il limite che i ricercatori sono stati in grado di raggiungere. Mentre lavoravano, è emerso un “quadro coerente, "dice Owen Miller, uno studente laureato alla UC Berkeley e membro del gruppo di Yablonovitch. Si sono imbattuti in un relativamente semplice, se forse controintuitivo, soluzione basata su una connessione matematica tra assorbimento ed emissione di luce.

"Fondamentalmente, è perché c'è un legame termodinamico tra assorbimento ed emissione, " dice Miller. Progettare celle solari per emettere luce - in modo che i fotoni non si "perdano" all'interno di una cella - ha l'effetto naturale di aumentare la tensione prodotta dalla cella solare. "Se hai una cella solare che è un buon emettitore di luce, gli fa anche produrre una tensione più alta, " che a sua volta aumenta la quantità di energia elettrica che può essere raccolta dalla cella per ogni unità di luce solare, dice Miller.

La teoria che l'emissione luminescente e la tensione vadano di pari passo non è nuova. Ma l'idea non era mai stata presa in considerazione per la progettazione di celle solari prima d'ora, Miller continua.

Lo scorso anno, una società con sede nella Bay area chiamata Alta Devices, co-fondato da Yablonovitch, ha utilizzato il nuovo concetto per creare un prototipo di cella solare in arseniuro di gallio (GaAs), un materiale spesso utilizzato per realizzare celle solari nei satelliti. Il prototipo ha battuto il record, passando dal 26 percento al 28,3 percento di efficienza. L'azienda ha raggiunto questo traguardo, in parte, progettando la cellula per consentire alla luce di fuoriuscire il più facilmente possibile dalla cellula, utilizzando tecniche che includono, Per esempio, aumentando la riflettività dello specchietto retrovisore, che invia i fotoni in entrata attraverso la parte anteriore del dispositivo.

Le celle solari producono elettricità quando i fotoni del Sole colpiscono il materiale semiconduttore all'interno di una cella. L'energia dei fotoni fa cadere gli elettroni da questo materiale, permettendo agli elettroni di fluire liberamente. Ma il processo di liberare gli elettroni può anche generare nuovi fotoni, in un processo chiamato luminescenza. L'idea alla base del nuovo design della cella solare è che questi nuovi fotoni, che non provengono direttamente dal Sole, dovrebbero poter fuggire dalla cella il più facilmente possibile.

"La prima reazione è di solito, perché aiuta [lasciare scappare questi fotoni]?" Dice Miller. "Non vuoi tenere [i fotoni] dentro, dove forse potrebbero creare più elettroni?" Tuttavia, matematicamente, permettendo ai nuovi fotoni di fuoriuscire aumenta il voltaggio che la cella è in grado di produrre.

Il lavoro è "un bene, modo utile" per determinare come gli scienziati possono migliorare le prestazioni delle celle solari, oltre a trovare nuovi modi creativi per testare e studiare le celle solari, dice Leo Schowalter di Crystal IS, Inc. e visiting professor al Rensselaer Polytechnic Institute, chi è presidente del comitato CLEO sui LED, fotovoltaico, e fotonica ad alta efficienza energetica.

Yablonovitch afferma di sperare che i ricercatori saranno in grado di utilizzare questa tecnica per raggiungere efficienze vicine al 30% nei prossimi anni. E poiché il lavoro si applica a tutti i tipi di celle solari, i risultati hanno implicazioni in tutto il campo.

Il team di Berkeley presenterà i suoi risultati alla Conference on Lasers and Electro Optics (CLEO:2012), 6-11 maggio, San Jose, Calif.