Il silicio altamente purificato rappresenta fino al 40 percento dei costi complessivi degli array di celle solari convenzionali, quindi i ricercatori hanno cercato a lungo di massimizzare la produzione di energia riducendo al minimo l'utilizzo del silicio. Ora, un team del MIT ha trovato un nuovo approccio che potrebbe ridurre lo spessore del silicio utilizzato di oltre il 90% pur mantenendo un'elevata efficienza.

Il segreto sta in uno schema di minuscole piramidi invertite incise sulla superficie del silicio. Queste piccole rientranze, ciascuno meno di un milionesimo di metro di diametro, può intrappolare i raggi di luce con la stessa efficacia delle tradizionali superfici in silicio solido che sono 30 volte più spesse.

Le nuove scoperte vengono riportate sulla rivista Nano lettere in un articolo del postdoc del MIT Anastasios Mavrokefalos, professore Gang Chen, e altri tre dottorandi e dottorandi, tutto il Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT.

“Vediamo il nostro metodo come un miglioramento delle prestazioni delle celle solari a film sottile, Mavrokefalos dice, ma in realtà funzionerebbe con qualsiasi cella di silicio. “Aumenterebbe l'efficienza, non importa quale sia lo spessore, "dice.

Lo studente laureato Matthew Branham, un coautore del documento, dice, “Se puoi ridurre drasticamente la quantità di silicio [in una cella solare] … puoi potenzialmente fare una grande differenza nel costo di produzione. Il problema è, quando lo fai molto sottile, non assorbe anche la luce.”

Il funzionamento di una cella solare avviene in due fasi fondamentali:in primo luogo, una particella di luce in arrivo, chiamato fotone, entra ed è assorbito dal materiale, piuttosto che riflettersi sulla sua superficie o attraversarla. Secondo, gli elettroni staccati dai loro atomi quando quel fotone viene assorbito devono poi raggiungere un filo dove possono essere imbrigliati per produrre una corrente elettrica, piuttosto che essere semplicemente intrappolato da altri atomi.

Sfortunatamente, la maggior parte degli sforzi per aumentare la capacità del silicio cristallino sottile di intrappolare i fotoni, ad esempio creando una foresta di minuscoli nanofili di silicio sulla superficie, aumenta anche notevolmente la superficie del materiale, aumentando la possibilità che gli elettroni si ricombinino sulla superficie prima che possano essere imbrigliati.

Il nuovo approccio evita questo problema. Le minuscole rientranze superficiali - il team le chiama "nanopiramidi invertite" - aumentano notevolmente l'assorbimento della luce, ma con solo un aumento del 70% della superficie, limitando la ricombinazione superficiale. Usando questo metodo, un foglio di silicio cristallino spesso solo 10 micrometri (milionesimi di metro) può assorbire la luce con la stessa efficienza di un wafer di silicio convenzionale 30 volte più spesso.

Ciò potrebbe non solo ridurre la quantità di costosi, silicio altamente purificato necessario per realizzare le celle solari, Mavrokefalos spiega, ma anche tagliare il peso delle cellule, che a sua volta ridurrebbe il materiale necessario per telai e supporti. I potenziali risparmi sui costi sono “non solo nel materiale della cella, ma anche nei costi di installazione, "dice.

Inoltre, la tecnica sviluppata da Mavrokefalos e dai suoi colleghi utilizza attrezzature e materiali che sono già parti standard della lavorazione dei chip di silicio, quindi non sarebbero necessari nuovi macchinari di produzione o prodotti chimici. “È molto facile da fabbricare, Mavrokefalos dice, eppure “attacca grossi problemi”.

Per creare le piccole ammaccature, i ricercatori utilizzano due serie di raggi laser sovrapposti per produrre fori eccezionalmente piccoli in uno strato di materiale, chiamato fotoresist, che si deposita sopra il silicio. Questa tecnica di litografia ad interferenza è scalabile su una vasta area. Dopo diversi passaggi intermedi, una sostanza chimica chiamata idrossido di potassio viene utilizzata per dissolvere le parti della superficie che non erano coperte dal fotoresist. La struttura cristallina del silicio porta questo processo di incisione a produrre le forme piramidali desiderate in superficie, dice Mavrokefalos.

Finora, il team ha compiuto solo il primo passo verso la realizzazione del nuovo tipo di celle solari, producendo la superficie modellata su un wafer di silicio e dimostrando il suo miglioramento nell'intrappolare la luce. Il prossimo passo sarà aggiungere componenti per produrre una cella fotovoltaica vera e propria e quindi dimostrare che la sua efficienza è paragonabile a quella delle celle solari convenzionali. L'aspettativa è che il nuovo approccio dovrebbe produrre efficienze di conversione dell'energia di circa il 20 percento, rispetto al 24 percento delle migliori celle solari al silicio commerciali attuali, ma questo deve essere dimostrato nella pratica.

Chen, il Carl Richard Soderberg Professor of Power Engineering e direttore dei Pappalardo Micro and Nano Engineering Laboratories del MIT, dice che se tutto va bene, il sistema potrebbe portare a prodotti commerciali nel prossimo futuro.

Chen dice che l'idea è stata sviluppata dopo aver analizzato una grande varietà di possibili configurazioni di superficie in simulazioni al computer, e trovare la disposizione che ha mostrato i maggiori potenziali miglioramenti nelle prestazioni. Ma molti team in tutto il mondo stanno perseguendo una serie di approcci per migliorare le prestazioni delle celle solari utilizzando materiali diversi, metodi e configurazioni di fabbricazione.

“È difficile scegliere un vincitore, "dice, ma questo approccio ha grandi promesse. "Siamo piuttosto ottimisti sul fatto che questo sia un approccio praticabile".

Yi Cui, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali alla Stanford University, afferma che questo lavoro ha prodotto “risultati molto entusiasmanti. Il potenziale impatto pratico di questo lavoro potrebbe essere significativo, poiché fornisce una struttura efficace per la gestione dei fotoni per abilitare le celle sottili.

Cui afferma che poiché la spesa del materiale in silicio "contribuisce in modo significativo al costo delle celle solari, ” lo sviluppo di celle solari al silicio sottili che possono ancora assorbire i fotoni in modo efficiente “è importante per ridurre i costi”.

Il lavoro, che ha coinvolto anche i postdoc Sang Eon Han e Selcuk Yerci, è stato sostenuto dal Programma Sunshot del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e dalla National Science Foundation.

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.