Una cella solare convenzionale, sinistra, riflette la luce dalla sua superficie e perde la luce che penetra nella cellula. Nuova tecnologia, Giusto, sviluppato dal professore di Princeton Stephen Chou e dai colleghi in ingegneria elettrica, previene entrambi i tipi di perdita ed è molto più sottile. Credito:illustrazione di Dimitri Karetnikov
I ricercatori di Princeton hanno trovato un modo semplice ed economico per quasi triplicare l'efficienza delle celle solari organiche, i dispositivi di plastica economici e flessibili che molti scienziati ritengono possano essere il futuro dell'energia solare.
I ricercatori, guidato dall'ingegnere elettrico Stephen Chou, sono stati in grado di aumentare l'efficienza del 175% utilizzando un "sandwich" nanostrutturato di metallo e plastica che raccoglie e intrappola la luce. Chou ha affermato che la tecnologia dovrebbe anche aumentare l'efficienza dei collettori solari inorganici convenzionali, come i pannelli solari standard al silicio, anche se ha avvertito che la sua squadra non ha ancora completato la ricerca con dispositivi inorganici.
Chou ha affermato che il team di ricerca ha utilizzato la nanotecnologia per superare due sfide principali che causano la perdita di energia delle celle solari:la luce riflessa dalla cella, e l'incapacità di catturare completamente la luce che entra nella cellula.
Con il loro nuovo sandwich metallico, i ricercatori sono stati in grado di affrontare entrambi i problemi. Il sandwich – chiamato cavità plasmonica a lunghezza d'onda inferiore – ha una straordinaria capacità di smorzare i riflessi e intrappolare la luce. La nuova tecnica ha permesso al team di Chou di creare una cella solare che riflette solo il 4% circa della luce e assorbe fino al 96%. Dimostra un'efficienza del 52% superiore nella conversione della luce in energia elettrica rispetto a una cella solare convenzionale.
Questo è per la luce solare diretta. La struttura raggiunge un'efficienza ancora maggiore per la luce che colpisce la cella solare con grandi angoli, che si verifica nei giorni nuvolosi o quando la cella non è direttamente rivolta al sole. Catturando questi raggi angolati, la nuova struttura aumenta l'efficienza di un ulteriore 81 percento, portando all'aumento totale del 175 per cento.
La fisica dietro l'innovazione è formidabilemente complessa. Ma la struttura del dispositivo, nel concetto, è abbastanza semplice.
Lo strato superiore, noto come strato finestra, della nuova cella solare utilizza una rete metallica incredibilmente fine:il metallo ha uno spessore di 30 nanometri, e ogni foro è di 175 nanometri di diametro e 25 nanometri di distanza. Questa rete sostituisce lo strato finestra convenzionale tipicamente costituito da un materiale chiamato indio-stagno-ossido (ITO).
Questa immagine al microscopio elettronico mostra la maglia d'oro creata da Chou e colleghi. Ogni foro ha un diametro di 175 nanometri, che è minore della lunghezza d'onda della luce. Credito:immagine per gentile concessione del laboratorio Chou
Lo strato della finestra in rete è posizionato molto vicino allo strato inferiore del sandwich, lo stesso film metallico utilizzato nelle celle solari convenzionali. Tra le due lamiere c'è una sottile striscia di materiale semiconduttore utilizzato nei pannelli solari. Può essere di qualsiasi tipo:silicone, plastica o arseniuro di gallio, sebbene il team di Chou abbia utilizzato una plastica spessa 85 nanometri.
Le caratteristiche della cella solare – la spaziatura delle maglie, lo spessore del panino, il diametro dei fori – sono tutti più piccoli della lunghezza d'onda della luce che viene raccolta. Questo è fondamentale perché la luce si comporta in modi molto insoliti nelle strutture a lunghezza d'onda inferiore. Il team di Chou ha scoperto che l'utilizzo di queste strutture a lunghezza d'onda inferiore ha permesso loro di creare una trappola in cui entra la luce, quasi senza riflessi, e non parte.
Una parte fondamentale della nuova tecnologia è una sottile maglia dorata, che funge da strato "finestra" per la cella solare. Credito:immagine per gentile concessione del laboratorio Chou
"È come un buco nero per la luce, " Disse Chou. "Lo intrappola".
Il team chiama il sistema una "cavità plasmonica con array di fori a lunghezza d'onda inferiore" o PlaCSH. Le foto della superficie delle celle solari PlaCSH dimostrano questo effetto di assorbimento della luce:sotto la luce del sole, una cella solare standard sembra colorata a causa della luce riflessa dalla sua superficie, ma il PlaCSH sembra nero profondo a causa del riflesso della luce estremamente basso.
I ricercatori si aspettavano un aumento di efficienza dalla tecnica, "ma chiaramente l'aumento che abbiamo riscontrato è andato oltre le nostre aspettative, " Disse Cho.
Chou e lo studente laureato Wei Ding hanno riportato le loro scoperte sulla rivista Ottica Express , pubblicato online il 28 novembre 2012. Il loro lavoro è stato in parte sostenuto dalla Defense Advanced Research Projects Agency, l'Office of Naval Research e la National Science Foundation.
I ricercatori hanno affermato che le celle solari PlaCSH possono essere prodotte in modo conveniente in fogli di carta da parati. Il laboratorio di Chou ha usato "nanoimpronta, " una tecnica di nanofabbricazione a basso costo inventata da Chou 16 anni fa, che imprime nanostrutture su una vasta area, come stampare un giornale.
Oltre al design innovativo, il lavoro ha comportato l'ottimizzazione del sistema. Ottenere la struttura esattamente giusta "è fondamentale per ottenere un'elevata efficienza, " disse Ding, uno studente laureato in ingegneria elettrica.
Chou ha affermato che lo sviluppo potrebbe avere un numero di applicazioni a seconda del tipo di collettore solare. In questa serie di esperimenti, Chou e Ding hanno lavorato con celle solari in plastica, chiamate celle solari organiche. La plastica è economica e malleabile e la tecnologia ha grandi promesse, ma è stato limitato nell'uso commerciale a causa della bassa efficienza delle celle solari organiche.
Oltre a un aumento diretto dell'efficienza delle cellule, il nuovo film metallico nanostrutturato sostituisce anche l'attuale elettrodo ITO che è la parte più costosa della maggior parte delle attuali celle solari organiche.
"PlaCSH è anche estremamente flessibile, " Chou ha detto. "La proprietà meccanica di ITO è come il vetro; è molto fragile".
