I ricercatori dell'ETH hanno sviluppato un modello completo per spiegare come gli elettroni scorrono all'interno di nuovi tipi di celle solari fatte di minuscoli cristalli. Il modello consente una migliore comprensione di tali celle e può aiutare ad aumentarne l'efficienza.

Gli scienziati si stanno concentrando su cristalli di dimensioni nanometriche per la prossima generazione di celle solari. Questi nanocristalli hanno eccellenti proprietà ottiche. Rispetto al silicio nelle celle solari di oggi, i nanocristalli possono essere progettati per assorbire una frazione maggiore dello spettro della luce solare. Però, lo sviluppo di celle solari a base di nanocristalli è impegnativo:"Queste celle solari contengono strati di molti singoli cristalli di dimensioni nanometriche, legati insieme da una colla molecolare. All'interno di questo composito di nanocristalli, gli elettroni non fluiscono così come necessario per le applicazioni commerciali, " spiega Vanessa Wood, Professore di Ingegneria dei materiali e dei dispositivi all'ETH di Zurigo. Fino ad ora, la fisica del trasporto di elettroni in questo complesso sistema di materiali non era compresa, quindi era impossibile progettare sistematicamente migliori compositi di nanocristalli.

Wood e i suoi colleghi hanno condotto un ampio studio sulle celle solari a nanocristalli, che hanno fabbricato e caratterizzato nei loro laboratori all'ETH di Zurigo. Sono stati in grado di descrivere per la prima volta il trasporto di elettroni in questi tipi di cellule tramite un modello fisico generalmente applicabile. "Il nostro modello è in grado di spiegare l'impatto del cambiamento delle dimensioni dei nanocristalli, materiale nanocristallino, o molecole leganti sul trasporto di elettroni, " afferma Wood. Il modello fornirà agli scienziati nel campo della ricerca una migliore comprensione dei processi fisici all'interno delle celle solari di nanocristalli e consentirà loro di migliorare l'efficienza delle celle solari.

Prospettive promettenti grazie agli effetti quantistici

La ragione dell'entusiasmo di molti ricercatori di celle solari per i minuscoli cristalli è che a piccole dimensioni entrano in gioco effetti della fisica quantistica che non si osservano nei semiconduttori sfusi. Un esempio è che le proprietà fisiche dei nanocristalli dipendono dalle loro dimensioni. E poiché gli scienziati possono facilmente controllare le dimensioni dei nanocristalli nel processo di fabbricazione, sono anche in grado di influenzare le proprietà dei semiconduttori nanocristallini e di ottimizzarli per le celle solari.

Una di queste proprietà che può essere influenzata dalla modifica delle dimensioni dei nanocristalli è la quantità di spettro solare che può essere assorbita dai nanocristalli e convertita in elettricità dalla cella solare. I semiconduttori non assorbono l'intero spettro della luce solare, ma piuttosto solo radiazioni al di sotto di una certa lunghezza d'onda, o - in altre parole - con un'energia maggiore della cosiddetta energia band gap del semiconduttore. Nella maggior parte dei semiconduttori, questa soglia può essere modificata solo cambiando il materiale. Però, per compositi nanocristallini, la soglia può essere modificata semplicemente cambiando la dimensione dei singoli cristalli. Pertanto, gli scienziati possono selezionare la dimensione dei nanocristalli in modo tale da assorbire la massima quantità di luce da un'ampia gamma dello spettro solare.

Un ulteriore vantaggio dei semiconduttori a nanocristalli è che assorbono molta più luce solare rispetto ai semiconduttori tradizionali. Per esempio, il coefficiente di assorbimento dei nanocristalli di solfuro di piombo, utilizzati dai ricercatori dell'ETH nel loro lavoro sperimentale, è di diversi ordini di grandezza maggiore di quella dei semiconduttori di silicio, utilizzati tradizionalmente come celle solari. Così, una quantità relativamente piccola di materiale è sufficiente per la produzione di celle solari a nanocristalli, rendendo possibile rendere molto sottile, celle solari flessibili.

Necessità di una maggiore efficienza

Il nuovo modello presentato dai ricercatori dell'ETH risponde a una serie di domande precedentemente irrisolte relative al trasporto di elettroni nei compositi di nanocristalli. Per esempio, fino ad ora, non esisteva alcuna prova sperimentale per dimostrare che l'energia del gap di banda di un composito di nanocristalli dipende direttamente dall'energia del gap di banda dei singoli nanocristalli. "Per la prima volta, abbiamo dimostrato sperimentalmente che questo è il caso, "dice Legno.

Negli ultimi cinque anni, gli scienziati sono riusciti ad aumentare notevolmente l'efficienza delle celle solari a nanocristalli, eppure anche nelle migliori di queste celle solari solo il 9% della luce solare incidente sulla cella viene convertita in energia elettrica. "Per noi iniziare a considerare le applicazioni commerciali, dobbiamo raggiungere un'efficienza di almeno il 15 per cento, " spiega Wood. Il lavoro del suo gruppo avvicina i ricercatori al miglioramento del trasporto degli elettroni e dell'efficienza delle celle solari.