Usare particelle esotiche chiamate punti quantici come base per una cella fotovoltaica non è un'idea nuova, ma i tentativi di realizzare tali dispositivi non hanno ancora raggiunto un'efficienza sufficientemente elevata nella conversione della luce solare in energia. Una nuova ruga aggiunta da un team di ricercatori del MIT, incorporando i punti quantici all'interno di una foresta di nanofili, promette di fornire una spinta significativa.

I fotovoltaici (PV) basati su minuscoli punti quantici colloidali hanno diversi potenziali vantaggi rispetto ad altri approcci alla produzione di celle solari:possono essere prodotti in un processo a temperatura ambiente, risparmiare energia ed evitare complicazioni associate alla lavorazione ad alta temperatura del silicio e di altri materiali fotovoltaici. Possono essere fatti da abbondanti, materiali economici che non richiedono un'ampia purificazione, come fa il silicio. E possono essere applicati a una varietà di materiali di substrato economici e persino flessibili, come le plastiche leggere.

Ma c'è un compromesso nella progettazione di tali dispositivi, a causa di due esigenze contraddittorie per un fotovoltaico efficace:lo strato assorbente di una cella solare deve essere sottile per consentire alle cariche di passare facilmente dai siti in cui l'energia solare viene assorbita ai fili che portano via la corrente, ma deve anche essere abbastanza spesso da assorbire la luce in modo efficiente. Il miglioramento delle prestazioni in una di queste aree tende a peggiorare l'altra, dice Joel Jean, uno studente di dottorato presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica (EECS) del MIT.

"Vuoi un film spesso per assorbire la luce, e vuoi che sia sottile per ottenere le accuse, " dice. "Quindi c'è un'enorme discrepanza."

È qui che l'aggiunta di nanofili di ossido di zinco può svolgere un ruolo utile, dice Giovanni, chi è l'autore principale di un articolo da pubblicare sulla rivista Materiale avanzato . Il documento è co-autore del professore di chimica Moungi Bawendi, professoressa di scienze e ingegneria dei materiali Silvija Gradečak, Professore EECS Vladimir Bulovic, e altri tre studenti laureati e un postdoc.

Questi nanofili sono abbastanza conduttivi da estrarre facilmente le cariche, ma abbastanza lungo da fornire la profondità necessaria per l'assorbimento della luce, dice Jean. L'utilizzo di un processo di crescita dal basso verso l'alto per far crescere questi nanofili e infiltrarli con punti quantici di solfuro di piombo produce un aumento del 50% della corrente generata dalla cella solare, e un aumento del 35% dell'efficienza complessiva, dice Jean. Il processo produce una matrice verticale di questi nanofili, che sono trasparenti alla luce visibile, intervallati da punti quantici.

"Se fai brillare la luce lungo la lunghezza dei nanofili, ottieni il vantaggio della profondità, " dice. Ma anche, "disaccoppia l'assorbimento della luce e l'estrazione del portatore di carica, poiché gli elettroni possono saltare lateralmente su un nanofilo vicino ed essere raccolti".

Un vantaggio dei fotovoltaici basati su punti quantici è che possono essere sintonizzati per assorbire la luce su una gamma di lunghezze d'onda molto più ampia rispetto ai dispositivi convenzionali, dice Jean. Questa è una prima dimostrazione di un principio che, attraverso un'ulteriore ottimizzazione e una migliore comprensione fisica, potrebbe portare a pratiche, nuovi tipi economici di dispositivi fotovoltaici, lui dice.

Già, i dispositivi di test hanno prodotto efficienze di quasi il 5%, tra i più alti mai riportati per un fotovoltaico a punti quantici a base di ossido di zinco, lui dice. Con ulteriore sviluppo, Jean dice, potrebbe essere possibile migliorare l'efficienza complessiva dei dispositivi oltre il 10%, che è ampiamente accettato come l'efficienza minima per una cella solare commercialmente valida. Ulteriori ricerche saranno, tra l'altro, esplorare utilizzando nanofili più lunghi per realizzare film più spessi, e lavorare anche per controllare meglio la spaziatura dei nanofili per migliorare l'infiltrazione di punti quantici tra di loro.

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.