La luce solare viene convertita in corrente elettrica in una struttura a strati.
I ricercatori dell'Università di Tecnologia di Vienna mostrano che una classe di materiali scoperta di recente può essere utilizzata per creare un nuovo tipo di cella solare.
I singoli strati atomici vengono combinati per creare nuovi materiali con proprietà completamente nuove. Le eterostrutture a strati di ossido sono una nuova classe di materiali, che ha attirato molta attenzione tra gli scienziati dei materiali negli ultimi anni. Un gruppo di ricerca presso l'Università di Tecnologia di Vienna, insieme ai colleghi degli Stati Uniti e della Germania, ha ora dimostrato che queste eterostrutture possono essere utilizzate per creare un nuovo tipo di celle solari ultrasottili estremamente efficienti.
Alla scoperta di nuove proprietà dei materiali nelle simulazioni al computer
"Singoli strati atomici di diversi ossidi sono impilati, creando un materiale con proprietà elettroniche che sono molto diverse dalle proprietà che i singoli ossidi hanno da soli", afferma il professor Karsten Held dell'Istituto di fisica dello stato solido, Università di tecnologia di Vienna. Al fine di progettare nuovi materiali con esattamente le proprietà fisiche corrette, le strutture sono state studiate in simulazioni al computer su larga scala. Come risultato di questa ricerca, gli scienziati della TU Vienna hanno scoperto che le eterostrutture di ossido hanno un grande potenziale per la costruzione di celle solari.
Elias Assmann (a sinistra) e Karsten Held (a destra) dimostrano l'idea alla base della nuova cella solare:la luce viene assorbita da una struttura a strati, vengono prodotti portatori di carica gratuiti e la corrente elettrica inizia a fluire.
Trasformare la luce in elettricità
L'idea alla base delle celle solari è l'effetto fotoelettrico. La sua versione più semplice era già stata spiegata da Albert Einstein nel 1905:quando un fotone viene assorbito, può far sì che un elettrone lasci il suo posto e la corrente elettrica inizi a fluire. Quando un elettrone viene rimosso, una regione carica positivamente rimane dietro - un cosiddetto "buco". Sia gli elettroni caricati negativamente che le lacune contribuiscono alla corrente elettrica.
"Se questi elettroni e buchi nella cella solare si ricombinano invece di essere trasportati via, non succede nulla e l'energia non può essere utilizzata", dice Elias Assmann, che ha svolto la maggior parte delle simulazioni al computer alla TU Vienna. "Il vantaggio cruciale del nuovo materiale è che su scala microscopica, c'è un campo elettrico all'interno del materiale, che separa elettroni e lacune." Ciò aumenta l'efficienza della cella solare.
Due isolatori fanno un metallo
Gli ossidi utilizzati per creare il materiale sono in realtà degli isolanti. Però, se sono impilati due tipi appropriati di isolatori, si può osservare un effetto sorprendente:le superfici del materiale diventano metalliche e conducono corrente elettrica. "Per noi, questo è molto importante. Questo effetto ci permette di estrarre comodamente i portatori di carica e creare un circuito elettrico", dice Karsten Held. Le celle solari convenzionali in silicio richiedono fili metallici sulla loro superficie per raccogliere i portatori di carica, ma questi fili impediscono a parte della luce di entrare nella cella solare.
Non tutti i fotoni vengono convertiti in corrente elettrica con la stessa efficienza. Per diversi colori di luce, materiali diversi funzionano meglio. "Le eterostrutture degli ossidi possono essere regolate scegliendo esattamente gli elementi chimici giusti", dice il professor Blaha (TU Vienna). Nelle simulazioni al computer, sono stati studiati ossidi contenenti Lantanio e Vanadio, perché in questo modo i materiali funzionano particolarmente bene con la luce naturale del sole. "È anche possibile combinare diversi tipi di materiali, in modo che diversi colori di luce possano essere assorbiti in diversi strati della cella solare con la massima efficienza", dice Elias Assmann.
Mettere in pratica la teoria
Il team di TU Vienna è stato assistito da Satoshi Okamoto (Oak Ridge National Laboratory, Tennessee, USA) e il Professor Giorgio Sangiovanni, un ex dipendente della TU Vienna, che ora lavora all'Università di Würzburg, Germania. A Würzburg, le nuove celle solari saranno ora costruite e testate. "La produzione di queste celle solari realizzate con strati di ossido è più complicata rispetto alla produzione di celle solari standard in silicio. Ma ovunque sia richiesta un'efficienza estremamente elevata o uno spessore minimo, le nuove strutture dovrebbero essere in grado di sostituire le celle di silicio", Karsten Held crede.
