Una tecnologia che consentirebbe a basso costo, celle solari ad alta efficienza da realizzare praticamente da qualsiasi materiale semiconduttore sono state sviluppate dai ricercatori con il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e l'Università della California (UC) Berkeley. Questa tecnologia apre le porte all'uso di abbondanti, semiconduttori relativamente economici, come i promettenti ossidi metallici, solfuri e fosfuri, che sono stati considerati inadatti per le celle solari perché è così difficile adattare le loro proprietà con mezzi chimici.

"È ora di fare buon uso di materiali scadenti, "dice il fisico Alex Zettl, che ha condotto questa ricerca insieme al collega Feng Wang. "La nostra tecnologia ci consente di eludere la difficoltà di adattare chimicamente molte terre abbondanti, semiconduttori non tossici e invece adattare questi materiali semplicemente applicando un campo elettrico."

Zettl, che ricopre incarichi congiunti con la Divisione di Scienze dei Materiali del Berkeley Lab e il Dipartimento di Fisica dell'UC Berkeley dove dirige il Centro di Sistemi Nanomeccanici Integrati (COINS), è l'autore corrispondente di un articolo che descrive questo lavoro sulla rivista Nano lettere . Il documento si intitola "Screening-

Celle solari ad effetto di campo ingegnerizzate." Co-autore erano William Regan, Steven Byrnes, Will Gannett, Onur Ergen, Oscar Vazquez-Mena e Feng Wang.

Le celle solari convertono la luce solare in elettricità utilizzando materiali semiconduttori che esibiscono l'effetto fotovoltaico, il che significa che assorbono fotoni e rilasciano elettroni che possono essere incanalati in una corrente elettrica. Il fotovoltaico è l'ultima fonte di pulito, energia verde e rinnovabile, ma le tecnologie odierne utilizzano semiconduttori relativamente scarsi e costosi, come grossi cristalli di silicio, o sottili pellicole di tellururo di cadmio o seleniuro di rame indio gallio, che sono difficili o costosi da fabbricare in dispositivi.

"Oggi le tecnologie solari devono affrontare un compromesso tra costo e efficienza che ha rallentato l'implementazione diffusa, " Afferma Zettl. "La nostra tecnologia riduce il costo e la complessità della fabbricazione di celle solari e fornisce quindi quella che potrebbe essere un'importante alternativa economica ed ecologica che accelererebbe l'utilizzo dell'energia solare".

Questa nuova tecnologia si chiama "fotovoltaico ad effetto di campo ingegnerizzato da screening, " o SFPV, perché utilizza l'effetto del campo elettrico, un fenomeno ben noto per cui la concentrazione dei portatori di carica in un semiconduttore viene alterata dall'applicazione di un campo elettrico. Con la tecnologia SFPV, un elettrodo superiore parzialmente schermante accuratamente progettato consente al campo elettrico di gate di penetrare sufficientemente nell'elettrodo e di modulare in modo più uniforme la concentrazione e il tipo di portante del semiconduttore per indurre una giunzione p-n. Ciò consente la creazione di giunzioni p-n di alta qualità in semiconduttori che sono difficili se non impossibili da drogare con metodi chimici convenzionali.

"La nostra tecnologia richiede solo la deposizione di elettrodi e gate, senza la necessità di drogaggio chimico ad alta temperatura, impianto di ioni, o altri processi costosi o dannosi, ", afferma l'autore principale William Regan. "La chiave del nostro successo è lo screening minimo del campo di gate che si ottiene attraverso la strutturazione geometrica dell'elettrodo superiore. Ciò consente di eseguire contemporaneamente il contatto elettrico e la modulazione della portante del semiconduttore".

Sotto il sistema SFPV, l'architettura dell'elettrodo superiore è strutturata in modo tale che almeno una delle dimensioni dell'elettrodo sia confinata. In una configurazione, lavorare con ossido di rame, i ricercatori di Berkeley hanno modellato il contatto dell'elettrodo in dita strette; in un'altra configurazione, lavorare con il silicio, hanno reso il contatto superiore ultrasottile (grafene a strato singolo) su tutta la superficie. Con dita sufficientemente strette, il campo di gate crea uno strato di inversione a bassa resistenza elettrica tra le dita e una potenziale barriera al di sotto di esse. Un contatto superiore uniformemente sottile consente ai campi di gate di penetrare ed esaurire/invertire il semiconduttore sottostante. I risultati in entrambe le configurazioni sono giunzioni p-n di alta qualità.

Dice il co-autore Feng Wang, "Le nostre dimostrazioni mostrano che uno stabile, La giunzione p-n a contatto elettrico può essere ottenuta con quasi tutti i semiconduttori e qualsiasi materiale di elettrodo attraverso l'applicazione di un campo di gate a condizione che l'elettrodo sia strutturato geometricamente in modo appropriato.

I ricercatori hanno anche dimostrato l'effetto SFPV in una configurazione autoportante, in cui il cancello era alimentato internamente dall'attività elettrica della cella stessa.

"La configurazione self-gating elimina la necessità di una fonte di alimentazione esterna del gate, che semplificherà l'implementazione pratica dei dispositivi SFPV, " dice Regan. "Inoltre, il cancello può svolgere un duplice ruolo di rivestimento antiriflesso, una caratteristica già comune e necessaria per il fotovoltaico ad alta efficienza."