Nel tentativo di rendere l'energia solare più competitiva, i ricercatori stanno progettando celle solari ultrasottili che riducono i costi dei materiali. Allo stesso tempo, mantengono efficienti queste celle sottili scolpendo le loro superfici con nanostrutture fotovoltaiche che si comportano come una sala di specchi molecolari.

"Vogliamo assicurarci che la luce passi più tempo di qualità all'interno di una cella solare, " ha detto Mark Brongersma, un professore di scienza e ingegneria dei materiali a Stanford e coautore di un articolo di revisione in Materiali della natura .

Brongersma e due colleghi di Stanford, il professore associato di scienza e ingegneria dei materiali Yi Cui e il professore di ingegneria elettrica Shanhui Fan, hanno esaminato 109 recenti articoli scientifici di team di tutto il mondo.

La loro panoramica ruota attorno a un tema di base:esaminare i molti modi diversi in cui i ricercatori stanno cercando di massimizzare le collisioni tra fotoni ed elettroni negli strati più sottili possibili di materiali fotovoltaici. L'obiettivo è quello di rivelare le tendenze e le migliori pratiche che aiuteranno a guidare gli sviluppi nel settore.

L'energia solare viene prodotta quando i fotoni di luce entrano in collisione con gli elettroni in un cristallo fotovoltaico. Quando gli elettroni liberi si muovono attraverso il cristallo, generano una corrente elettrica.

Le celle solari di oggi sono già sottili. Sono costituiti da strati di materiali fotovoltaici, generalmente silicio, quella media da 150 a 300 micrometri, che è approssimativamente il diametro di due o tre capelli umani.

Mentre gli ingegneri continuano a ridurre quelle dimensioni, devono sviluppare nuove trappole molecolari e trappole per garantire che i fotoni non sfreccino semplicemente attraverso le loro celle solari ultrasottili prima che le scintille elettriche possano volare.

"Molto dell'entusiasmo ora riguarda l'utilizzo dei principi della fotonica per gestire le onde luminose nel modo più efficiente, "Ha detto Fan. "Ci sono forse centinaia di gruppi nel mondo che lavorano su questo".

L'articolo di revisione fornisce una visione di alto livello di come gli scienziati stanno cercando di progettare strutture per facilitare le interazioni tra gli istigatori infinitesimali della corrente solare, i fotoni e gli elettroni.

La ricerca deve affrontare enormi sfide nel tentativo di progettare nanostrutture sintonizzate per catturare la luce. La luce solare è composta da molti colori. Quando vediamo l'arcobaleno, ciò che vediamo è il risultato dell'umidità atmosferica che agisce come un prisma per piegare la luce nei suoi colori costituenti. La creazione di diverse nanostrutture per catturare il vaso di fotoni alla fine di ogni colore dell'arcobaleno fa parte di ciò di cui tratta questa ricerca.

Tuttavia, gli scienziati stanno già riportando un certo successo

"Stiamo vedendo sistemi che utilizzano un centesimo in più di materiale fotovoltaico rispetto alle celle solari di oggi, ottenendo dal 60 al 70 percento della produzione elettrica, " ha detto Brongersma.

Il materiale fotovoltaico più comune è una forma raffinata di silicio simile a quella che si trova nei chip dei computer. Questo materiale rappresenta dal 10 al 20 percento del costo di una cella solare. Ridurre tali spese di 100 volte avrebbe quindi un effetto considerevole sull'efficienza complessiva in termini di costi della produzione di energia solare.

Ma Cui dice che la riduzione dei costi dei materiali è solo una parte della spinta dietro il solare ultrasottile. Un altro vantaggio è la flessibilità. A causa dello spessore dello strato di silicio che cattura la luce, le odierne celle solari devono essere mantenute rigide per evitare che il loro reticolo cristallino venga danneggiato e il flusso di elettroni interrotto.

"Ma a 10 micrometri di spessore il silicio ha un alto grado di flessibilità meccanica, " disse Cui, citando una dimensione inferiore a un decimo dello spessore dello strato fotovoltaico all'interno delle odierne celle solari.

Cui, che ha realizzato un materiale così sperimentale, mostra un film in cui sbattere questo sottile silicone come un pezzo di carta e tagliarlo con le forbici (vedi video separati; sbattere /sopra/ e tagliare /sotto/). Quelle sottili strisce di silicio incorporano alcune delle nanostrutture di intrappolamento dei fotoni descritte nel Materiali della natura articolo. Cui afferma che l'efficienza di conversione luce-energia del silicio sottile si sta avvicinando a quella del silicio rigido nelle celle solari di oggi.

Il silicio che sbatte non è solo un progetto scientifico. Tale flessibilità pagherebbe un dividendo quando si tratta di installazione, che rappresenta circa un terzo del costo totale di un pannello solare sul tetto. "Queste sottili celle di silicio possono essere incorporate in plastica flessibile, fare l'installazione come stendere un tappeto, " Ha detto Cui.

Eppure, anche se i ricercatori riescono a ottenere di più da meno, rimangono molti ostacoli secondo Fan, che sviluppa modelli informatici per studiare come nanostrutture e materiali diversi influenzeranno le interazioni fotone-elettrone.

"Ci sono un numero infinito di strutture, quindi non è possibile modellarli tutti, " Egli ha detto, alludendo a quelli che ha chiamato i "colli di bottiglia teorici" che impediscono la comprensione scientifica di questo regno etereo dove luce e materia si intersecano.

"Ad esempio, proprio adesso, non abbiamo davvero modo di sapere quando abbiamo ottenuto il massimo dai nostri fotoni, " ha detto Fan.