Il sole è la nostra fonte più promettente di energia pulita e rinnovabile. L'energia che raggiunge la Terra dal Sole in un'ora è quasi equivalente a quella consumata dall'uomo in un anno. Le celle solari possono sfruttare questa enorme fonte di energia convertendo la luce in corrente elettrica. Però, questi dispositivi richiedono ancora significativi miglioramenti in termini di efficienza prima di poter competere con le fonti energetiche più tradizionali.

Xiaogang Liu, Alfred Ling Yoong Tok e i loro collaboratori presso l'A*STAR Institute of Materials Research and Engineering, l'Università Nazionale di Singapore e la Nanyang Technological University, Singapore, hanno ora sviluppato un metodo per utilizzare le nanostrutture per aumentare la frazione di luce in entrata che viene assorbita da un materiale che raccoglie la luce. Il metodo è ideale per l'uso con celle solari ad alta efficienza.

Le celle solari assorbono pacchetti di energia ottica chiamati fotoni e quindi utilizzano i fotoni per generare elettroni. L'energia di alcuni fotoni del Sole, però, è troppo piccolo per creare elettroni in questo modo e quindi si perde. Liu, Tok e i suoi collaboratori hanno aggirato questa perdita utilizzando un effetto noto come upconversion. In questo processo, due fotoni a bassa energia vengono combinati per produrre un singolo fotone ad alta energia. Questo fotone energetico può quindi essere assorbito dalla regione attiva della cella solare.

Il dispositivo dei ricercatori comprendeva un telaio in ossido di titanio riempito con una disposizione regolare di pori d'aria di circa mezzo micrometro di diametro, una struttura chiamata opale inverso (vedi immagine). Sfere del materiale di upconversion, che erano 30 nanometri di diametro, sedeva sulla superficie di questi pori. Piccoli punti quantici sensibili alla luce fatti di cristalli di seleniuro di cadmio hanno rivestito queste nanosfere.

I punti quantici hanno assorbito in modo efficiente la luce in entrata, direttamente da una sorgente esterna o da fotoni non convertiti delle nanosfere, e lo converte in elettroni. Questa carica è poi fluita nel telaio in ossido di titanio. "L'opale inverso di ossido di titanio crea un percorso continuo di conduzione degli elettroni e fornisce un'ampia superficie interfacciale per supportare le nanoparticelle di conversione verso l'alto e i punti quantici, " spiega Liu.

Liu, Tok e il team hanno testato il dispositivo sparandogli luce laser con una lunghezza d'onda di 980 nanometri, che normalmente non viene assorbito dai punti quantici di seleniuro di cadmio. Come previsto, sono stati in grado di misurare una corrente elettrica molto più elevata rispetto allo stesso esperimento eseguito con un dispositivo senza le nanosfere di conversione. "Riteniamo che il trasferimento di energia potenziato e la raccolta della luce possano offrire un vantaggio altamente competitivo rispetto alle celle solari al silicio convenzionali, "dice Liù.