(Phys.org) —Per i pannelli solari, spremere ogni goccia di energia dal maggior numero possibile di fotoni è imperativo. Questo obiettivo ha inviato chimica, ricercatori di scienza dei materiali e ingegneria elettronica alla ricerca di aumentare l'efficienza di assorbimento di energia dei dispositivi fotovoltaici, ma le tecniche esistenti stanno ora scontrandosi con i limiti fissati dalle leggi della fisica.

Ora, ricercatori dell'Università della Pennsylvania e della Drexel University hanno dimostrato sperimentalmente un nuovo paradigma per la costruzione di celle solari che potrebbe in definitiva renderle meno costose, più facile da produrre e più efficiente nel raccogliere energia dal sole.

Lo studio è stato condotto dal professor Andrew M. Rappe e dallo specialista di ricerca Ilya Grinberg del Dipartimento di Chimica della Penn's School of Arts and Sciences, insieme al presidente Peter K. Davies del Department of Materials Science and Engineering della School of Engineering and Applied Science, e il professore Jonathan E. Spanier, del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali di Drexel.

È stato pubblicato sulla rivista Natura .

Le celle solari esistenti funzionano tutte nello stesso modo fondamentale:assorbono la luce, che eccita gli elettroni e li fa fluire in una certa direzione. Questo flusso di elettroni è corrente elettrica. Ma per stabilire una direzione coerente del loro movimento, o polarità, le celle solari devono essere fatte di due materiali. Una volta che un elettrone eccitato attraversa l'interfaccia dal materiale che assorbe la luce al materiale che condurrà la corrente, non può tornare indietro, dandogli una direzione.

"C'è una piccola categoria di materiali, però, che quando li illumini, l'elettrone decolla in una particolare direzione senza dover passare da un materiale all'altro, Rappe ha detto. "Lo chiamiamo effetto fotovoltaico 'bulk', piuttosto che l'effetto "interfaccia" che si verifica nelle celle solari esistenti. Questo fenomeno è noto fin dagli anni '70, ma non produciamo celle solari in questo modo perché sono state dimostrate solo con la luce ultravioletta, e la maggior parte dell'energia del sole è nello spettro visibile e infrarosso."

Trovare un materiale che mostri l'effetto fotovoltaico di massa per la luce visibile semplificherebbe notevolmente la costruzione delle celle solari. Inoltre, sarebbe un modo per aggirare un'inefficienza intrinseca alle celle solari interfacciali, noto come limite di Shockley-Queisser, dove parte dell'energia dei fotoni viene persa mentre gli elettroni aspettano di fare il salto da un materiale all'altro.

"Pensa ai fotoni che provengono dal sole come monete che piovono su di te, con le diverse frequenze della luce che sono come penny, nichelini, monetine e così via. Una qualità del tuo materiale che assorbe la luce chiamata "bandgap" determina le denominazioni che puoi catturare, " Ha detto Rappe. "Il limite Shockley-Queisser dice che qualunque cosa prendi è preziosa solo quanto la denominazione più bassa consentita dal tuo bandgap. Se scegli un materiale con una banda proibita che può catturare centesimi, puoi prendere dei centesimi, quarti e dollari d'argento, ma varranno tutti solo l'equivalente energetico di 10 centesimi quando li prenderai.

"Se imposti il ​​tuo limite troppo alto, potresti ottenere più valore per fotone ma catturare meno fotoni in generale e uscire peggio che se avessi scelto una denominazione inferiore, " ha detto. "Impostare il tuo bandgap per catturare solo dollari d'argento è come essere in grado di catturare solo la luce UV. Impostarlo per prendere quarti è come scendere nello spettro visibile. La tua resa è migliore anche se stai perdendo la maggior parte dell'energia dai raggi UV che ottieni."

Poiché nessun materiale noto ha mostrato l'effetto fotovoltaico di massa per la luce visibile, il team di ricerca si è rivolto ai suoi scienziati dei materiali per ideare come modellarne uno nuovo e misurarne le proprietà.

A partire da più di cinque anni fa, il team ha iniziato il lavoro teorico, tracciando le proprietà di ipotetici nuovi composti che avrebbero un mix di questi tratti. Ogni composto iniziava con un materiale "genitore" che avrebbe conferito al materiale finale l'aspetto polare dell'effetto fotovoltaico di massa. Al genitore, un materiale che abbasserebbe il bandgap del composto verrebbe aggiunto in percentuali diverse. Questi due materiali verrebbero macinati in polveri fini, mescolati insieme e poi scaldati in forno finché non hanno reagito insieme. Il cristallo risultante avrebbe idealmente la struttura del genitore ma con elementi del secondo materiale in posizioni chiave, permettendogli di assorbire la luce visibile.

"La sfida del design, "Davide ha detto, "era quello di identificare i materiali che potrebbero mantenere le loro proprietà polari assorbendo contemporaneamente la luce visibile. I calcoli teorici hanno indicato nuove famiglie di materiali in cui questa combinazione di proprietà spesso si escludono a vicenda potrebbe infatti essere stabilizzata".

Questa struttura è nota come cristallo di perovskite. La maggior parte dei materiali che assorbono la luce ha una struttura cristallina simmetrica, il che significa che i loro atomi sono disposti in schemi ripetuti verso l'alto, fuori uso, sinistra, Giusto, davanti e dietro. Questa qualità rende quei materiali non polari; tutte le direzioni "sembrano" uguali dal punto di vista di un elettrone, quindi non esiste una direzione generale per il loro flusso.

Un cristallo di perovskite ha lo stesso reticolo cubico degli atomi di metallo, ma all'interno di ogni cubo c'è un ottaedro di atomi di ossigeno, e all'interno di ogni ottaedro c'è un altro tipo di atomo di metallo. Il rapporto tra questi due elementi metallici può farli spostare fuori centro, dando direzionalità alla struttura e rendendola polare.

"Tutti i buoni polari, o ferroelettrico, i materiali hanno questa struttura cristallina, " Ha detto Rappe. "Sembra molto complicato, ma succede sempre in natura quando hai un materiale con due metalli e ossigeno. Non è qualcosa che dovevamo architettare noi stessi".

Dopo diversi tentativi falliti di produrre fisicamente gli specifici cristalli di perovskite che avevano teorizzato, i ricercatori hanno avuto successo con una combinazione di niobato di potassio, il genitore, materiale polare, e niobato di bario nichel, che contribuisce al bandgap del prodotto finale.

I ricercatori hanno utilizzato la cristallografia a raggi X e la spettroscopia a dispersione Raman per assicurarsi di aver prodotto la struttura cristallina e la simmetria che intendevano. Hanno anche studiato la sua polarità commutabile e il bandgap, dimostrando che potrebbero effettivamente produrre un effetto fotovoltaico di massa con luce visibile, aprendo la possibilità di infrangere il limite di Shockley-Queisser.

Inoltre, la capacità di regolare il bandgap del prodotto finale tramite la percentuale di niobato di nichel e bario aggiunge un altro potenziale vantaggio rispetto alle celle solari interfacciali.

"La banda proibita del genitore è nell'intervallo UV, "Spagnolo ha detto, "ma aggiungendo solo il 10 percento del niobato di bario nichel si sposta il bandgap nell'intervallo visibile e vicino al valore desiderato per un'efficiente conversione dell'energia solare. Quindi questo è un materiale praticabile per cominciare, e anche il bandgap continua a variare attraverso l'intervallo visibile man mano che ne aggiungiamo altri, che è un altro tratto molto utile."

Un altro modo per aggirare l'inefficienza imposta dal limite di Shockley-Queisser nelle celle solari interfacciali è impilare efficacemente più celle solari con differenti bande gap una sopra l'altra. Queste celle solari multi-giunzione hanno uno strato superiore con un elevato gap di banda, che cattura i fotoni più preziosi e lascia passare quelli meno preziosi. I livelli successivi hanno bandgap sempre più bassi, ottenere la massima energia da ogni fotone, ma aggiungendo alla complessità e al costo complessivi della cella solare.

"La famiglia di materiali che abbiamo realizzato con l'effetto fotovoltaico bulk attraversa l'intero spettro solare, " Ha detto Rappe. "Così potremmo coltivare un materiale ma cambiare delicatamente la composizione mentre cresciamo, risultando in un singolo materiale che si comporta come una cella solare multi-giunzione."

"Questa famiglia di materiali." spagnolo ha detto, "è tanto più notevole perché è composto da poco costoso, elementi non tossici e abbondanti in terra, a differenza dei materiali semiconduttori composti attualmente utilizzati nell'efficiente tecnologia delle celle solari a film sottile".