Un nuovo studio del St. Mary's College of Maryland ci avvicina alla tecnologia delle celle solari spray fai-da-te, promettendo celle solari di terza generazione che utilizzano una deposizione di inchiostro a nanocristalli che potrebbe rendere i tradizionali costosi pannelli solari a base di silicio una cosa del passato.
In uno studio del 2014, pubblicato sulla rivista Chimica Fisica Fisica Chimica , Il professor Troy Townsend, esperto di energia del St. Mary's College of Maryland, ha presentato la prima tecnologia fotovoltaica completamente inorganica elaborata in soluzione.
Mentre i progressi sul fotovoltaico organico a film sottile sono in rapida crescita, i dispositivi inorganici detengono ancora il record per la massima efficienza, in parte dovuto al loro ampio assorbimento spettrale e alle eccellenti proprietà elettroniche. Considerando le maggiori efficienze registrate e il minor costo per watt rispetto ai dispositivi organici, combinato con la maggiore stabilità termica e fotografica dei materiali inorganici su larga scala, Townsend, nel suo studio del 2014, focalizzato su una struttura completamente inorganica per la fabbricazione di una cella solare completamente basata su soluzioni dall'alto verso il basso.
Un grande svantaggio rispetto ai prodotti organici, però, è che i materiali inorganici sono difficili da depositare dalla soluzione. Per superare questo, Townsend ha sintetizzato materiali su scala nanometrica. I nanocristalli inorganici racchiusi in un guscio di ligando organico sono solubili in solventi organici e possono essere depositati dalla soluzione (cioè, rotazione-, immersione-, spray-coat) mentre i materiali inorganici tradizionali richiedono una camera a vuoto ad alta temperatura. I dispositivi solari sono fabbricati da inchiostri di particelle su scala nanometrica degli strati che assorbono la luce, tellururo di cadmio/seleniuro di cadmio, e inchiostri metallici sopra e sotto. Per di qua, l'intero dispositivo elettronico può essere costruito su substrati di vetro non conduttivo utilizzando apparecchiature che puoi trovare nella tua cucina.
La sfida eccezionale che devono affrontare i nanocristalli inorganici (3-5 nm) è che devono essere ricotti o riscaldati per formare grani "bulk scale" più grandi (da 100 nm a 1 μm) al fine di produrre dispositivi funzionanti. Townsend ha recentemente collaborato con i ricercatori della Marina per esplorare questo processo.
"Quando spruzzi questi nanocristalli, devi scaldarli per farli funzionare, " ha spiegato Townsend, "ma non puoi semplicemente scaldare i cristalli da soli, devi aggiungere un agente di sinterizzazione e questo, negli ultimi 40 anni, è stato cloruro di cadmio, un sale tossico utilizzato nei dispositivi commerciali a film sottile. Nessuno ha testato alternative non tossiche per dispositivi di inchiostro su scala nanometrica, e volevamo esplorare il meccanismo del processo di sinterizzazione per essere in grado di implementare sali più sicuri".
Nel suo ultimo studio, pubblicato quest'anno su Journal of Materials Chemistry A , Townsend, insieme ai ricercatori della Marina, scoperto che il cloruro di ammonio non è tossico, valida alternativa economica al cloruro di cadmio per le celle solari a nanocristalli. Questa scoperta è arrivata dopo aver testato diversi sali. I dispositivi realizzati con cloruro di ammonio (che è comunemente usato nella produzione del pane) avevano caratteristiche simili a quelli realizzati con cloruro di cadmio, e l'abbandono dei trattamenti con sale di cadmio allevia le preoccupazioni sulla salute ambientale e la sicurezza degli attuali metodi di lavorazione.
Il team ha anche scoperto che il ruolo del trattamento con sale implica reazioni cruciali di rimozione del ligando. Questo è unico per i nanocristalli inorganici e non si osserva per i metodi di deposizione sotto vuoto su larga scala. "Un sacco di lavoro entusiasmante è stato fatto sullo scambio di ligandi di nanocristalli, ma, per la prima volta, abbiamo chiarito il duplice ruolo del sale come agente di scambio di ligandi e agente di sinterizzazione simultanea. Questa è una distinzione importante per questi dispositivi, perché i nanocristalli sono tipicamente sintetizzati con un guscio di ligando organico nativo. Questo guscio deve essere rimosso prima del riscaldamento per migliorare le proprietà elettroniche del film, " ha affermato Townsend a proposito della scoperta. Poiché i nanomateriali sono in prima linea nelle nuove proprietà emergenti rispetto alla loro controparte sfusa, lo studio è importante per il futuro della fabbricazione di dispositivi elettronici.
La ricerca arriva sulla scia dell'annuncio dell'amministrazione Obama a luglio di mettere più pannelli solari sulle abitazioni a basso reddito e di ampliare l'accesso all'energia solare per gli affittuari, e il recente impegno a ottenere il 20% dell'elettricità totale degli Stati Uniti da fonti rinnovabili entro il 2030.
"Proprio adesso, la tecnologia solare è in qualche modo irraggiungibile per la persona media, " ha detto Townsend. "Il sogno è rendere il processo di assemblaggio e installazione così economico e semplice che puoi andare al tuo negozio di bricolage locale e acquistare un kit e poi spruzzarlo sul tuo tetto. Ecco perché stiamo lavorando su celle solari spray".
Townsend prevede ulteriori ricerche per aumentare l'efficienza delle celle solari nanocristalline completamente inorganiche (che attualmente raggiungono il cinque percento), costruendoli con componenti completamente atossici.
