(Phys.org)—Gli scienziati della Stanford University hanno costruito la prima cella solare fatta interamente di carbonio, una promettente alternativa ai costosi materiali utilizzati oggi nei dispositivi fotovoltaici.

I risultati sono pubblicati nell'edizione online del 31 ottobre della rivista ACS Nano .

"Il carbonio ha il potenziale per offrire prestazioni elevate a basso costo, ", ha affermato l'autore senior dello studio Zhenan Bao, professore di ingegneria chimica a Stanford. "Al meglio delle nostre conoscenze, questa è la prima dimostrazione di una cella solare funzionante che ha tutti i componenti in carbonio. Questo studio si basa sul lavoro precedente svolto nel nostro laboratorio".

A differenza dei pannelli solari in silicio rigido che adornano molti tetti, Il prototipo a film sottile di Stanford è realizzato con materiali in carbonio che possono essere rivestiti dalla soluzione. "Forse in futuro potremo guardare a mercati alternativi in ​​cui le celle solari al carbonio flessibili sono rivestite sulla superficie degli edifici, sui finestrini o sulle auto per generare elettricità, " ha detto Bao.

La tecnica di rivestimento ha anche il potenziale per ridurre i costi di produzione, ha detto lo studente laureato di Stanford Michael Vosgueritchian, co-autore principale dello studio con il ricercatore post-dottorato Marc Ramuz.

"L'elaborazione di celle solari a base di silicio richiede molti passaggi, " ha spiegato Vosgueritchian. "Ma il nostro intero dispositivo può essere costruito utilizzando semplici metodi di rivestimento che non richiedono strumenti e macchinari costosi".

Nanomateriali di carbonio

La cella solare sperimentale del gruppo Bao è costituita da uno strato fotoattivo, che assorbe la luce del sole, racchiuso tra due elettrodi. In una tipica cella solare a film sottile, gli elettrodi sono realizzati in metalli conduttivi e ossido di indio e stagno (ITO). "Materiali come l'indio sono scarsi e stanno diventando più costosi man mano che la domanda di celle solari, i pannelli touchscreen e altri dispositivi elettronici crescono, " Bao ha detto. "Carbon, d'altra parte, è a basso costo e abbondante sulla Terra."

Per lo studio, Bao e i suoi colleghi hanno sostituito l'argento e l'ITO utilizzati negli elettrodi convenzionali con grafene - fogli di carbonio dello spessore di un atomo - e nanotubi di carbonio a parete singola che sono 10, 000 volte più stretto di un capello umano. "I nanotubi di carbonio hanno una straordinaria conduttività elettrica e proprietà di assorbimento della luce, " ha detto Bao.

Per lo strato attivo, gli scienziati hanno utilizzato materiale costituito da nanotubi di carbonio e "buckyballs", molecole di carbonio a forma di pallone da calcio di appena un nanometro di diametro. Il team di ricerca ha recentemente depositato un brevetto per l'intero dispositivo.

"Ogni componente della nostra cella solare, da cima a fondo, è fatto di materiali di carbonio, " ha detto Vosgueritchian. "Altri gruppi hanno riferito di produrre celle solari interamente in carbonio, ma si riferivano solo allo strato attivo nel mezzo, non gli elettrodi."

Uno svantaggio del prototipo interamente in carbonio è che assorbe principalmente le lunghezze d'onda della luce nel vicino infrarosso, contribuendo a un'efficienza di laboratorio inferiore all'1%, molto inferiore rispetto alle celle solari disponibili in commercio. "Abbiamo chiaramente molta strada da fare per quanto riguarda l'efficienza, " Bao ha detto. "Ma con materiali migliori e migliori tecniche di lavorazione, prevediamo che l'efficienza aumenterà notevolmente".

Miglioramento dell'efficienza

Il team di Stanford sta esaminando una varietà di modi per migliorare l'efficienza. "La rugosità può cortocircuitare il dispositivo e rendere difficile la raccolta della corrente, " Ha detto Bao. "Dobbiamo capire come rendere ogni strato molto liscio impilando davvero bene i nanomateriali".

I ricercatori stanno anche sperimentando nanomateriali di carbonio in grado di assorbire più luce in una gamma più ampia di lunghezze d'onda, compreso lo spettro visibile.

"I materiali in carbonio sono molto robusti, " Bao ha detto. "Rimangono stabili a temperature dell'aria di quasi 1, 100 gradi Fahrenheit."

La capacità delle celle solari al carbonio di superare le prestazioni dei dispositivi convenzionali in condizioni estreme potrebbe superare la necessità di una maggiore efficienza, secondo Vosgueritchian. "Crediamo che le celle solari interamente in carbonio possano essere utilizzate in ambienti estremi, come ad alte temperature o ad alto stress fisico, " ha detto. "Ma ovviamente vogliamo la massima efficienza possibile e stiamo lavorando su modi per migliorare il nostro dispositivo."

"Il fotovoltaico sarà sicuramente una fonte di energia molto importante alla quale attingeremo in futuro, " Bao ha detto. "Abbiamo un sacco di luce solare disponibile. Dobbiamo trovare un modo per utilizzare questa risorsa naturale che ci viene data".