Gli scienziati della Stanford University hanno creato il più sottile, assorbitore di luce visibile più efficiente mai registrato. La struttura nanometrica, migliaia di volte più sottile di un normale foglio di carta, potrebbe abbassare il costo e migliorare l'efficienza delle celle solari, secondo gli scienziati. I loro risultati sono pubblicati nell'attuale edizione online della rivista Nano lettere .

"Raggiungere il completo assorbimento della luce visibile con una quantità minima di materiale è altamente auspicabile per molte applicazioni, compresa la conversione dell'energia solare in combustibile ed elettricità, " ha detto Stacey Bent, professore di ingegneria chimica a Stanford e membro del gruppo di ricerca. "I nostri risultati mostrano che è possibile che uno strato di materiale estremamente sottile assorba quasi il 100% della luce incidente di una specifica lunghezza d'onda".

Le celle solari più sottili richiedono meno materiale e quindi costano meno. La sfida per i ricercatori è ridurre lo spessore della cella senza compromettere la sua capacità di assorbire e convertire la luce solare in energia pulita.

Per lo studio, il team di Stanford ha creato sottili wafer punteggiati da trilioni di particelle rotonde d'oro. Ogni nanodot d'oro era alto circa 14 nanometri e largo 17 nanometri.

Spettro visibile

Una cella solare ideale sarebbe in grado di assorbire l'intero spettro di luce visibile, dalle onde luminose viola lunghe 400 nanometri alle onde rosse lunghe 700 nanometri, così come la luce ultravioletta e infrarossa invisibile. Nell'esperimento, lo studioso post-dottorato Carl Hagglund e i suoi colleghi sono stati in grado di sintonizzare i nanopunti d'oro per assorbire una luce da un punto dello spettro:onde luminose rosso-arancio lunghe circa 600 nanometri.

"Proprio come una corda di chitarra, che ha una frequenza di risonanza che cambia quando la accordi, le particelle metalliche hanno una frequenza di risonanza che può essere messa a punto per assorbire una particolare lunghezza d'onda della luce, " disse Hagglund, autore principale dello studio. "Abbiamo messo a punto le proprietà ottiche del nostro sistema per massimizzare l'assorbimento della luce".

I wafer riempiti di nanopunti d'oro sono stati fabbricati in una vicina struttura Hitachi utilizzando una tecnica chiamata litografia a copolimero a blocchi. Ogni wafer conteneva circa 520 miliardi di nanopunti per pollice quadrato. Al microscopio, la serie esagonale di particelle ricordava un nido d'ape.

Il team di Hagglund ha aggiunto un rivestimento a film sottile sopra i wafer utilizzando un processo chiamato deposizione dello strato atomico. "È una tecnica molto attraente, perché puoi rivestire le particelle in modo uniforme e controllare lo spessore del film fino al livello atomico, " ha detto. "Ciò ci ha permesso di mettere a punto il sistema semplicemente modificando lo spessore del rivestimento attorno ai punti. Le persone hanno costruito array come questo, ma non li hanno sintonizzati sulle condizioni ottimali per l'assorbimento della luce. Questo è un aspetto nuovo del nostro lavoro".

Registra risultati

I risultati sono stati da record. "I wafer rivestiti hanno assorbito il 99 percento della luce rosso-arancione, "Hagglund ha detto. "Abbiamo anche raggiunto il 93 per cento di assorbimento negli stessi nanopunti d'oro. Il volume di ogni punto è equivalente a uno strato d'oro spesso solo 1,6 nanometri, rendendolo il più sottile assorbitore di luce visibile mai registrato - circa 1, 000 volte più sottili degli assorbitori di celle solari a film sottile disponibili in commercio."

Il precedente detentore del record richiedeva uno strato assorbente tre volte più spesso per raggiungere l'assorbimento totale della luce, Ha aggiunto. "Quindi abbiamo sostanzialmente spinto i limiti di ciò che può essere ottenuto per la raccolta leggera ottimizzando questi ultrasottili, sistemi nano-ingegnerizzati, " ha detto Hagglund.

Il prossimo passo per il team di Stanford è dimostrare che la tecnologia può essere utilizzata nelle celle solari reali.

"Ora stiamo esaminando strutture edilizie che utilizzano materiali semiconduttori ultrasottili in grado di assorbire la luce solare, "disse Piegato, co-direttore dello Stanford Center on Nanostructuring for Efficient Energy Conversion (CNEEC). "Questi prototipi verranno quindi testati per vedere con quanta efficienza possiamo ottenere la conversione dell'energia solare".

Nell'esperimento, i ricercatori hanno applicato tre tipi di rivestimenti:solfuro di stagno, ossido di zinco e ossido di alluminio – su diversi array di nanopunti. "Nessuno di questi rivestimenti assorbe la luce, " Hagglund ha detto. "Ma è stato dimostrato in teoria che se si applica un rivestimento a semiconduttore, è possibile spostare l'assorbimento dalle particelle metalliche ai materiali semiconduttori. Ciò creerebbe portatori di carica energetica più longevi che potrebbero essere incanalati in qualche processo utile, come produrre una corrente elettrica o sintetizzare carburante."

Obiettivo finale

L'ultimo goal, piegato aggiunto, consiste nello sviluppare celle solari e dispositivi a combustibile solare migliorati limitando l'assorbimento della luce solare alla minore quantità di materiale possibile. "Ciò offre un vantaggio nel ridurre al minimo il materiale necessario per costruire il dispositivo, Certo, " ha detto. "Ma l'aspettativa è che consentirà anche maggiori efficienze, perché per progettazione, i portatori di carica saranno prodotti molto vicino a dove sono desiderati, ovvero vicino a dove verranno raccolti per produrre una corrente elettrica o per guidare una reazione chimica."

Gli scienziati stanno anche considerando array di nanopunti realizzati con metalli meno costosi. "Abbiamo scelto l'oro perché era chimicamente più stabile per il nostro esperimento, "Hagglund ha detto. "Anche se il costo dell'oro era praticamente trascurabile, l'argento è più economico e migliore dal punto di vista ottico se si vuole realizzare una buona cella solare. Il nostro dispositivo rappresenta una riduzione dello spessore di ordini di grandezza. Ciò suggerisce che alla fine possiamo ridurre notevolmente lo spessore delle celle solari".