Professore assistente di scienza e ingegneria dei materiali Michael Arnold. Credito:David Nevala.
(Phys.org) — In un approccio che potrebbe sfidare il silicio come materiale predominante per le celle fotovoltaiche, Gli ingegneri dei materiali dell'Università del Wisconsin-Madison hanno sviluppato una cella solare economica che sfrutta i nanotubi di carbonio per assorbire e convertire l'energia solare.
L'avanzata potrebbe portare a pannelli solari altrettanto efficienti, ma molto meno costoso da produrre, rispetto ai pannelli attuali.
La cella solare a nanotubi di carbonio di prova del concetto può convertire quasi il 75% della luce che assorbe in elettricità, dice Michael Arnold, un assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali presso l'UW-Madison e un pioniere nello sviluppo di materiali a base di nanotubi di carbonio per applicazioni di energia solare. "Abbiamo compiuto un passo chiave davvero fondamentale nel dimostrare che un giorno sarà possibile utilizzare questi nuovi materiali di nanotubi di carbonio per le celle solari, " lui dice.
Arnold e lo studente di dottorato Matthew Shea hanno descritto lo sviluppo in un articolo pubblicato il 17 giugno, 2013, nell'edizione online della rivista Lettere di fisica applicata .
Il silicio è abbondante e un efficiente raccoglitore di energia solare, tuttavia è costoso da elaborare e produrre in pannelli solari. Di conseguenza, ricercatori stanno studiando materiali alternativi, tra cui nanotubi di carbonio.
I recenti progressi hanno offerto ai ricercatori un maggiore livello di controllo sulla composizione chimica dei nanotubi di carbonio, che a sua volta ha aperto la porta a una miriade di applicazioni. I sottili tubi a forma di spaghetti sono facili ed economici da produrre, stabile e durevole, e sono entrambi buoni assorbitori di luce e conduttori elettrici.
Gran parte dell'attuale ricerca sulle celle solari con nanotubi di carbonio è incentrata su materiali comprovati per celle solari che utilizzano nanotubi misti per condurre la carica elettrica. "Questo utilizza solo la metà delle capacità offerte dai nanotubi, "dice Arnoldo, il cui precedente lavoro con i nanotubi di carbonio per i transistor lo ha ispirato a esplorare le applicazioni nell'energia solare.
Basandosi su un mezzo decennio di ricerche, compresi gli studi fondamentali dello studente di dottorato Dominick Bindl, Arnold e Shea hanno sviluppato una cella solare che utilizza nanotubi di carbonio per raccogliere la luce e convertirla in elettricità. "Stiamo partendo da zero e stiamo cercando di ottenere un'elevata efficienza dai nanotubi, " dice Arnold. "Stiamo cercando di ottenere la massima conversione di potenza possibile dal nostro materiale, ed è questo che rende unico il nostro lavoro".
Essenzialmente, la cella solare di prova del concetto è un foglio ultrasottile, o film, di nanotubi di carbonio sovrapposti a un altro sottile foglio di un materiale chiamato buckminsterfullerene, o C 60 . I nanotubi assorbono la maggior parte della luce solare e trattengono la carica positiva, mentre il C 60 trae la carica negativa.
L'efficienza della cella solare è la percentuale di energia solare che brilla su una cella che la cella effettivamente converte in energia elettrica. Quando Arnold e i suoi studenti hanno iniziato questa ricerca cinque anni fa, le loro celle solari hanno raggiunto efficienze di conversione dell'energia solo di circa un milionesimo di punto percentuale. Oggi, in contrasto con l'efficienza media del 15% delle celle solari al silicio convenzionali, la loro prova di concetto è efficiente dell'1%.
Anche se quel numero potrebbe sembrare basso, Arnold è ottimista sul fatto che possa aumentare, in parte perché lo strato di nanotubi di carbonio che cattura il sole della cella solare proof-of-concept è spesso solo pochi atomi. E, la cella converte circa il 75% della luce solare che assorbe in elettricità. "Della luce che viene assorbita, ne stiamo convertendo la maggior parte, "dice Arnoldo.
Il prossimo passo per aumentare l'efficienza è già in corso. I ricercatori ora si stanno concentrando sull'aumento dello spessore del film sottile di nanotubi di carbonio da soli 5 nanometri ad almeno 100, il che, secondo i loro modelli teorici, alla fine potrebbe mettere l'efficienza di conversione dell'energia delle loro celle solari in linea con quella delle celle al silicio. "Ciò che mostra il nostro lavoro è che alla fine sarai in grado di ottenere un'efficienza elevata quanto il silicio, ed è per questo che siamo eccitati, "dice Arnoldo.
