Marco Furchi, Thomas Muller, Andreas Pospischil (da sinistra a destra)
Gli scienziati della Vienna University of Technology sono riusciti a combinare due materiali semiconduttori, costituito da soli tre strati atomici ciascuno. Questa nuova struttura è molto promettente per un nuovo tipo di cella solare.
Estremamente sottile, semi trasparente, le celle solari flessibili potrebbero presto diventare realtà. All'Università di Tecnologia di Vienna, Thomas Mueller, Marco Furchi e Andreas Pospischil sono riusciti a creare una struttura a semiconduttore composta da due strati ultrasottili, che sembra essere particolarmente adatto per la conversione dell'energia fotovoltaica
Diversi mesi fa, il team aveva già prodotto uno strato ultrasottile del diseleniuro di tungsteno cristallino fotoattivo. Ora, questo semiconduttore è stato combinato con successo con un altro strato di bisolfuro di molibdeno, creando un materiale di design che possa essere utilizzato in future celle solari a basso costo. Con questo anticipo, i ricercatori sperano di stabilire un nuovo tipo di tecnologia delle celle solari.
Strutture bidimensionali
Materiali ultrasottili, che consistono solo di uno o pochi strati atomici sono attualmente un argomento caldo nella scienza dei materiali di oggi. La ricerca sui materiali bidimensionali è iniziata con il grafene, un materiale costituito da un singolo strato di atomi di carbonio. Come altri gruppi di ricerca in tutto il mondo, Thomas Mueller e il suo team hanno acquisito il know-how necessario per gestire, analizzare e migliorare gli strati ultrasottili lavorando con il grafene. Questo know-how è stato ora applicato ad altri materiali ultrasottili.
Il sistema di strati della cella solare:due strati di semiconduttori nel mezzo, collegato agli elettrodi su entrambi i lati.
"Abbastanza spesso, i cristalli bidimensionali hanno proprietà elettroniche completamente diverse da quelle di strati più spessi dello stesso materiale", dice Thomas Mueller. Il suo team è stato il primo a combinare due diversi strati di semiconduttori ultrasottili ea studiarne le proprietà optoelettroniche.
Due livelli con funzioni diverse
Il diseleniuro di tungsteno è un semiconduttore costituito da tre strati atomici. Uno strato di tungsteno è racchiuso tra due strati di atomi di selenio. "Avevamo già potuto dimostrare che il diseleniuro di tungsteno può essere utilizzato per trasformare la luce in energia elettrica e viceversa", dice Thomas Mueller. Ma una cella solare fatta solo di diseleniuro di tungsteno richiederebbe innumerevoli minuscoli elettrodi metallici distanti solo pochi micrometri l'uno dall'altro. Se il materiale è combinato con bisolfuro di molibdeno, che consiste anche di tre strati atomici, questo problema è elegantemente aggirato. L'eterostruttura può ora essere utilizzata per costruire celle solari di grandi dimensioni.
Quando la luce colpisce un materiale fotoattivo, i singoli elettroni vengono rimossi dalla loro posizione originale. Rimane un buco caricato positivamente, dove si trovava l'elettrone. Sia l'elettrone che il foro possono muoversi liberamente nel materiale, ma contribuiscono alla corrente elettrica solo quando sono tenuti separati in modo che non possano ricombinarsi.
Per prevenire la ricombinazione di elettroni e lacune, si possono utilizzare elettrodi metallici, attraverso il quale viene risucchiata la carica - o viene aggiunto un secondo materiale. "I fori si muovono all'interno dello strato di diseleniuro di tungsteno, gli elettroni, d'altra parte, migrano nel bisolfuro di molibdeno", dice Thomas Mueller. Così, la ricombinazione è soppressa.
Questo è possibile solo se le energie degli elettroni in entrambi gli strati sono sintonizzate esattamente nel modo giusto. Nell'esperimento, questo può essere fatto usando campi elettrostatici. Florian Libisch e il professor Joachim Burgdörfer (TU Vienna) hanno fornito simulazioni al computer per calcolare come cambia l'energia degli elettroni in entrambi i materiali e quale tensione porta a una resa ottimale di energia elettrica.
Strati ben confezionati
"Una delle sfide più grandi è stata quella di impilare i due materiali, creando una struttura atomicamente piatta", dice Thomas Mueller. "Se ci sono molecole tra i due strati, in modo che non ci sia un contatto diretto, la cella solare non funzionerà." Alla fine, questa impresa è stata compiuta riscaldando entrambi gli strati nel vuoto e impilandoli nell'atmosfera ambiente. L'acqua tra i due strati è stata rimossa riscaldando nuovamente la struttura dello strato.
Una parte della luce in ingresso passa proprio attraverso il materiale. Il resto viene assorbito e convertito in energia elettrica. Il materiale può essere utilizzato per frontali in vetro, lasciando entrare la maggior parte della luce, ma continua a creare elettricità. Poiché consiste solo di pochi strati atomici, è estremamente leggero (300 metri quadrati pesano solo un grammo), e molto flessibile. Ora il team sta lavorando per impilare più di due livelli:questo ridurrà la trasparenza, ma aumentare la potenza elettrica.
