Circa il 40% dell'energia solare che raggiunge la superficie terrestre si trova nella regione del vicino infrarosso dello spettro, energia che le celle solari convenzionali a base di silicio non sono in grado di sfruttare. Ma un nuovo tipo di cella solare interamente al carbonio sviluppata dai ricercatori del MIT potrebbe attingere a quell'energia inutilizzata, aprendo la possibilità di combinare celle solari - che incorporano sia le tradizionali celle a base di silicio che le nuove celle interamente in carbonio - che potrebbero utilizzare quasi l'intera gamma di energia solare.

“È un tipo fondamentalmente nuovo di cella fotovoltaica, "dice Michele Strano, il professore di ingegneria chimica Charles e Hilda Roddey al MIT e autore senior di un articolo che descrive il nuovo dispositivo che è stato pubblicato questa settimana sulla rivista Materiale avanzato .

La nuova cella è composta da due forme esotiche di carbonio:nanotubi di carbonio e C60, altrimenti noto come buckyballs. “Questa è la prima cella fotovoltaica interamente in carbonio, Strano afferma:un'impresa resa possibile dai nuovi sviluppi nella produzione su larga scala di nanotubi di carbonio purificati. “Solo negli ultimi anni o giù di lì è stato possibile consegnare a qualcuno una fiala di un solo tipo di nanotubo di carbonio, "dice. Affinché le nuove celle solari funzionino, i nanotubi devono essere purissimi, e di tipo uniforme:a parete singola, e tutto solo una delle due possibili configurazioni simmetriche dei nanotubi.

Altri gruppi hanno realizzato celle fotovoltaiche (PV) utilizzando nanotubi di carbonio, ma solo utilizzando uno strato di polimero per tenere in posizione i nanotubi e raccogliere gli elettroni liberati quando assorbono la luce solare. Ma quella combinazione aggiunge ulteriori passaggi al processo di produzione, e richiede rivestimenti aggiuntivi per prevenire il degrado con l'esposizione all'aria. La nuova cella fotovoltaica interamente in carbonio sembra essere stabile in aria, Strano dice.

La cella a base di carbonio è più efficace nel catturare la luce solare nella regione del vicino infrarosso. Poiché il materiale è trasparente alla luce visibile, tali celle potrebbero essere sovrapposte a celle solari convenzionali, creando un dispositivo tandem che potrebbe sfruttare la maggior parte dell'energia della luce solare. Le celle di carbonio avranno bisogno di raffinamento, Strano e i suoi colleghi dicono:Finora, i primi dispositivi proof-of-concept hanno un'efficienza di conversione energetica di solo circa lo 0,1 percento.

Ma mentre il sistema richiede ulteriori ricerche e perfezionamenti, “siamo sulla strada giusta per realizzare celle solari nel vicino infrarosso ad altissima efficienza, "dice Rishabh Jain, uno studente laureato che è stato autore principale del documento.

Poiché il nuovo sistema utilizza strati di materiali su scala nanometrica, produrre le cellule richiederebbe quantità relativamente piccole di carbonio altamente purificato, e le celle risultanti sarebbero molto leggere, dice la squadra. "Una delle cose veramente belle dei nanotubi di carbonio è che il loro assorbimento della luce è molto alto, quindi non hai bisogno di molto materiale per assorbire molta luce, "dice Jain.

Tipicamente, quando viene studiato un nuovo materiale per celle solari, ci sono grandi inefficienze, che i ricercatori trovano gradualmente modi per ridurre. In questo caso, postdoc e co-autore Kevin Tvrdy afferma:alcune di queste fonti di inefficienza sono già state identificate e affrontate:ad esempio, gli scienziati sanno già che le miscele eterogenee di nanotubi di carbonio sono molto meno efficienti delle formulazioni omogenee, e il materiale che contiene un mix di nanotubi a parete singola e multiparete sono molto meno efficienti che a volte non funzionano affatto, lui dice.

"Ci è abbastanza chiaro il tipo di cose che devono accadere per aumentare l'efficienza, "dice Jain. Un'area che i ricercatori del MIT stanno ora esplorando è il controllo più preciso sulla forma e sullo spessore esatti degli strati di materiale che producono, lui dice.

Il team spera che altri ricercatori si uniscano alla ricerca di modi per migliorare il loro sistema, dice Jain. “È davvero un sistema modello, "dice, "e altri gruppi contribuiranno ad aumentare l'efficienza".

Ma Strano sottolinea che poiché la parte del vicino infrarosso dello spettro solare è attualmente del tutto inutilizzata dalle tipiche celle solari, anche una cella a bassa efficienza che funzioni in quella regione potrebbe valere la pena purché il suo costo sia basso. “Se potessi sfruttare anche solo una parte dello spettro del vicino infrarosso, aggiunge valore, "dice.

Strano aggiunge che uno dei revisori anonimi del documento ha commentato che il raggiungimento di una cella fotovoltaica a base di carbonio che assorbe gli infrarossi senza strati polimerici è la realizzazione di "un sogno per il campo".

Michael Arnold, un assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali presso l'Università del Wisconsin a Madison che non è stato coinvolto in questa ricerca, dice, "I nanotubi di carbonio offrono possibilità allettanti per aumentare l'efficienza delle celle solari e sono un po' come i polimeri fotovoltaici sugli steroidi". lui dice, "è entusiasmante perché dimostra la conversione dell'energia fotovoltaica utilizzando uno strato attivo interamente realizzato in carbonio". "Questa sembra una direzione molto promettente che alla fine consentirà di sfruttare più pienamente la promessa dei nanotubi".

Il lavoro ha coinvolto anche gli studenti laureati del MIT Rachel Howden, Steven Shimizu e Andrew Hilmer; postdoc Thomas McNicholas; e professore di ingegneria chimica Karen Gleason. È stato sostenuto dalla società italiana Eni attraverso il MIT Energy Initiative, così come la National Science Foundation e il Dipartimento della Difesa attraverso borse di studio per laureati a Jain e Howden, rispettivamente.

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.