Quando Mike Arnold pensa all'energia solare, lui pensa in grande, come negli "più di cento milioni di miliardi di watt di luce solare in cui la Terra si bagna continuamente". Ma pensa anche molto, molto piccolo, esplorando come un nanomateriale a base di carbonio dello spessore di un miliardesimo di metro potrebbe ridurre drasticamente il prezzo della produzione di elettricità con celle solari.

Arnoldo, professore associato presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali di UW-Madison, guida un gruppo di ricerca che si concentra sullo studio di materiali elettronici avanzati per l'energia solare fotovoltaica (PV), stoccaggio di energia, ed elettronica dei semiconduttori. Lo sviluppo di materiali in grado di abbattere il costo dell'energia fotovoltaica è la passione e l'obiettivo primario del suo team.

"Conosciamo tutti i vantaggi dell'energia solare, " spiega Arnold. "Abbondante luce solare, nessuna emissione, nessuna parte in movimento, nessun rumore, e facile trasporto, ma questo lascia molte persone che si chiedono perché abbiamo ancora centrali a carbone e non abbiamo pannelli solari su ogni tetto. E la risposta è sicuramente "costo". Anche se i prezzi per la produzione di energia solare sono diminuiti drasticamente negli ultimi due decenni, non siamo ancora arrivati ​​al punto in cui l'energia fotovoltaica può competere economicamente".

L'energia fotovoltaica viene creata quando i fotoni, o pacchetti di luce solare, percorrono i quasi 93 milioni di miglia dalla Terra e colpiscono una cella solare. Quando il materiale semiconduttore in una cella solare assorbe la luce solare, viene generata una carica elettrica. È quindi compito della cella solare separare la carica in modo che la sua componente positiva vada da un lato della cella solare e la sua componente negativa dall'altra, producendo così una corrente elettrica. Queste celle solari sono raggruppate in moduli, e questi moduli sono raggruppati nei pannelli che vediamo sui tetti e nei campi solari.

"L'efficienza del 25% delle celle solari al silicio è abbastanza buona, " Dice Arnold. "È il prezzo del silicio come materia prima e l'alto costo di lavorazione che rende difficile abbattere il costo del fotovoltaico. Ciò di cui abbiamo bisogno sono celle altrettanto efficienti ma molto più economiche da realizzare".

Alcuni materiali fotovoltaici alternativi di "seconda generazione", come le celle solari a film sottile, vengono esplorati dall'industria e sono stati persino commercializzati. Ma il prezzo dell'energia solare rimane alto con queste tecnologie, e il focus della maggior parte della ricerca sul fotovoltaico è ora sui cosiddetti nanomateriali di "terza generazione", come quelli studiati nel laboratorio di Arnold. "Nano" si riferisce alle dimensioni notevolmente ridotte di questi materiali; un nanometro è un miliardesimo di metro.

L'approccio di Arnold è di iniziare con materiali molto economici che, in linea di principio, potrebbero essere trasformate in celle solari e quindi escogitare un modo per farle funzionare. Attualmente, Il team di Arnold si concentra su nanomateriali a base di carbonio chiamati grafene e nanotubi di carbonio. Questi nanomateriali sono sintetizzati in laboratorio utilizzando un processo chiamato deposizione chimica da vapore, in cui gli idrocarburi (gas come il metano (CH4) e l'etilene (C2H4)) vengono convertiti in carbonio puro.

Nella produzione di grafene, gli idrocarburi reagiscono tra loro su un substrato piano dove rilasciano idrogeno gassoso (H2) come sottoprodotto e formano grafene (C puro) sul substrato. In questo modo, grandi substrati possono essere rivestiti con continuo, fogli atomicamente sottili di grafene. Per produrre un nanotubo di carbonio, le reazioni degli idrocarburi avvengono sull'estremità di una nanoparticella sferica piuttosto che su un substrato piatto, formando un cilindro.

Il risultato finale sono nanomateriali che non sono affatto composti da molecole, ma sono costruiti da un solo strato di atomi.

"Questi materiali sono sottili come puoi immaginare... non puoi davvero fare nulla di più sottile, "Arnold spiega, rendendo facile capire perché la comunità scientifica a volte si riferisce a questi materiali come "2D".

"Quando arriviamo a questo singolo strato di atomi nel grafene e nei nanotubi di carbonio, "Arnold dice, "sono alcuni dei migliori conduttori elettrici che abbiamo mai scoperto e le loro proprietà elettroniche sono molto più facili da controllare. Sono potenti assorbitori di luce, relativamente stabile, facile da sintetizzare, e poco costoso poiché il carbonio è così abbondante."

Il team di Arnold sta attualmente esplorando l'uso di fogli di grafene e nanotubi di carbonio nelle celle solari. Per un progetto, il suo team sta creando nanotubi di carbonio con diametri diversi che assorbono diverse lunghezze d'onda della luce; in una cella solare, questa varietà di diametri potrebbe aiutare ad aumentare l'assorbimento complessivo della luce.

"Possiamo potenzialmente sfruttare la potenza di molta più luce variando il diametro dei nanotubi, "Arnold spiega, "tutti i colori dell'arcobaleno e quelli dello spettro che non possiamo vedere".

Arnold si impegna a esplorare il potenziale dei nanomateriali a base di carbonio come un modo a basso costo per sfruttare l'enorme potenza del sole, e trasformare il campo dell'energia solare.

"Stiamo lavorando duramente per comprendere meglio le loro proprietà e provarle in celle solari reali in molti modi diversi. Riteniamo che la nostra ricerca attuale ci stia avvicinando al giorno in cui vedremo davvero i pannelli solari su ogni tetto".