I ricercatori del MIT hanno prodotto un nuovo tipo di cella fotovoltaica basata su fogli di grafene flessibile ricoperti da uno strato di nanofili. L'approccio potrebbe portare a basso costo, celle solari trasparenti e flessibili che potrebbero essere installate su finestre, tetti o altre superfici.

Il nuovo approccio è dettagliato in un rapporto pubblicato sulla rivista Nano lettere , co-autore dei postdoc del MIT Hyesung Park e Sehoon Chang, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali Silvija Gradečak, e altri otto ricercatori del MIT.

Mentre la maggior parte delle celle solari di oggi sono fatte di silicio, questi rimangono costosi perché il silicio è generalmente altamente purificato e quindi trasformato in cristalli che vengono tagliati a fette sottili. Molti ricercatori stanno esplorando alternative, come le celle solari nanostrutturate o ibride; l'ossido di indio e stagno (ITO) viene utilizzato come elettrodo trasparente in queste nuove celle solari.

"Attualmente, ITO è il materiale d'elezione per gli elettrodi trasparenti, "Gradečak dice, come nei touch screen ora utilizzati sugli smartphone. Ma l'indio usato in quel composto è costoso, mentre il grafene è costituito da carbonio onnipresente.

Il nuovo materiale, Gradečak dice, potrebbe essere un'alternativa all'ITO. Oltre al suo minor costo, offre altri vantaggi, compresa la flessibilità, basso peso, resistenza meccanica e robustezza chimica.

Costruire nanostrutture semiconduttrici direttamente su una superficie incontaminata di grafene senza comprometterne le proprietà elettriche e strutturali è stato difficile a causa della struttura stabile e inerte del grafene, Gradečak spiega. Quindi il suo team ha utilizzato una serie di rivestimenti polimerici per modificarne le proprietà, permettendo loro di legarvi uno strato di nanofili di ossido di zinco, e poi una sovrapposizione di un materiale che risponde alle onde luminose:punti quantici di solfuro di piombo o un tipo di polimero chiamato P3HT.

Nonostante queste modifiche, Gradečak dice, le proprietà innate del grafene rimangono intatte, fornendo vantaggi significativi nel materiale ibrido risultante.

"Abbiamo dimostrato che i dispositivi basati sul grafene hanno un'efficienza paragonabile a quella dell'ITO, " dice, nel caso della sovrapposizione di punti quantici, un'efficienza complessiva di conversione di potenza del 4,2 percento, inferiore all'efficienza delle celle al silicio per uso generale, ma competitivo per applicazioni specializzate. "Siamo i primi a dimostrare le celle solari al nanofilo di grafene senza sacrificare le prestazioni del dispositivo".

Inoltre, a differenza della crescita ad alta temperatura di altri semiconduttori, un processo basato su soluzioni per depositare nanofili di ossido di zinco su elettrodi di grafene può essere eseguito interamente a temperature inferiori a 175 gradi Celsius, dice Chang, un postdoc presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali (DMSE) del MIT e autore principale dell'articolo. Le celle solari al silicio vengono generalmente lavorate a temperature significativamente più elevate.

Il processo di produzione è altamente scalabile, aggiunge Parco, l'altro autore principale e un postdoc in DMSE e nel Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica del MIT. Il grafene viene sintetizzato attraverso un processo chiamato deposizione chimica da vapore e quindi rivestito con strati polimerici. "La dimensione non è un fattore limitante, e il grafene possono essere trasferiti su vari substrati target come vetro o plastica, "Dice Parco.

Gradečak avverte che, sebbene la scalabilità per le celle solari non sia stata ancora dimostrata - lei e i suoi colleghi hanno realizzato solo dispositivi di prova di un mezzo pollice di dimensioni - non prevede alcun ostacolo alla realizzazione di dimensioni più grandi. "Credo che entro un paio d'anni potremmo vedere dispositivi [commerciali]" basati su questa tecnologia, lei dice.

László Forró, professore all'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, in Svizzera, che non era associato a questa ricerca, dice che l'idea di usare il grafene come elettrodo trasparente era "già nell'aria, ", ma in realtà non era stato realizzato.

"Secondo me questo lavoro è una vera svolta, " Dice Forró. "Ottimo lavoro sotto ogni aspetto."

E avverte che "la strada è ancora lunga per entrare nelle applicazioni reali, ci sono molti problemi da risolvere, " ma aggiunge che "la qualità del gruppo di ricerca attorno a questo progetto... garantisce il successo".

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.