Gli edifici del futuro potrebbero essere dotati di finestre in grado di generare la propria elettricità, grazie al ritrovamento di un team guidato da Jacqui Cole, uno scienziato dei materiali dell'Università di Cambridge, UK, attualmente con sede presso l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE).

Per la prima volta, Cole e colleghi hanno determinato la struttura molecolare degli elettrodi delle celle solari funzionanti all'interno di un dispositivo completamente assemblato che funziona come una finestra. Il ritrovamento, pubblicato in Nanoscala , aiuta a far progredire la tecnologia delle finestre intelligenti che potrebbe consentire alle città di avvicinarsi all'obiettivo di essere sostenibili dal punto di vista energetico.

Gli esperimenti sono stati condotti su celle solari sensibilizzate con colorante, che sono trasparenti e quindi adatti per l'uso in vetro. I tentativi di creare tecnologie per finestre intelligenti sono stati limitati dai numerosi meccanismi molecolari sconosciuti tra gli elettrodi e l'elettrolita che si combinano per determinare il funzionamento del dispositivo.

"La maggior parte degli studi precedenti ha modellato la funzione molecolare di questi elettrodi funzionanti senza considerare gli ingredienti dell'elettrolito, " Cole ha detto. "Il nostro lavoro mostra che questi ingredienti chimici possono influenzare chiaramente le prestazioni delle celle solari, quindi ora possiamo usare questa conoscenza per sintonizzare gli ioni per aumentare l'efficienza fotovoltaica".

Per fare la scoperta, Cole - Design Fellow 2014 della Royal Commission del 1851 - e i suoi colleghi hanno usato la riflettometria neutronica per sondare la funzione e l'interazione degli ingredienti dell'elettrolita con gli elettrodi delle celle solari sensibilizzate al colorante. riflettometria di neutroni, simili alle tecniche di riflettometria a raggi X, consente agli scienziati di misurare la struttura dei film sottili ad alta risoluzione. Ma è stato il fatto che i test siano stati eseguiti in un sistema simile a una finestra che ha portato a una scoperta significativa.

"La ricerca precedente ha considerato gli elettrodi di lavoro all'esterno del dispositivo, quindi non c'è stato alcun percorso per determinare come interagiscono i diversi componenti del dispositivo, "Cole ha detto. "Il nostro lavoro rappresenta un enorme balzo in avanti in quanto è il primo esempio al mondo di applicazione della riflettometria neutronica in situ a celle solari sensibilizzate a colorante".

Gli sforzi precedenti per caratterizzare l'interfaccia colorante/biossido di titanio in queste celle solari si sono limitati alla determinazione di questa struttura interfacciale all'interno di un ambiente esposto all'aria o in un mezzo solvente. A causa di questi vincoli, questi ambienti di celle solari sono essenzialmente artificiali con una rilevanza limitata per le applicazioni delle finestre.

Con questa scoperta, però, Cole e colleghi sono andati oltre i vincoli artificiali. Così facendo, possono capire meglio come un elettrodo a film sottile contenente biossido di titanio, un composto naturale che si trova nella vernice, creme solari e coloranti alimentari, può avere un enorme impatto sull'efficienza delle celle solari.

"Il nostro lavoro ha dimostrato che alcuni ingredienti chimici, alcuni dei quali sono stati finora trascurati, può influenzare chiaramente le prestazioni fotovoltaiche di queste celle solari, " ha detto Cole.

Celle solari più efficienti come queste possono avvicinare la tecnologia delle finestre intelligenti al mercato, disse Cole, aggiungendo che la scienza è quasi arrivata.

"Abbiamo solo bisogno di un modesto aumento delle prestazioni per rendere competitive queste celle solari, "Cole ha detto, "dal momento che il rapporto prezzo-prestazioni governa l'economia dell'industria delle celle solari. E la produzione di celle solari sensibilizzate a colorante è molto economica rispetto ad altre tecnologie di celle solari".

Per quanto riguarda le prestazioni, le celle hanno recentemente battuto un record mondiale con un'efficienza di conversione di potenza del 14,3% utilizzando un elettrodo sensibilizzato a colorante con due coloranti organici privi di metalli co-sensibilizzati. Questi coloranti "promettono meno, percorsi sintetici più rispettosi dell'ambiente e una maggiore flessibilità di progettazione molecolare rispetto alle loro controparti contenenti metalli, "secondo il giornale.

La scoperta è stata fatta con i colleghi dell'Università di Cambridge, Regno Unito, l'Australian Nuclear Science and Technology Organization e il Rutherford Appleton Laboratory, UK. I ricercatori stanno continuando ad applicare questa tecnica di caratterizzazione dei materiali alle celle solari sensibilizzate al colorante, che potrebbe rivelare ulteriori segreti molecolari e aprire la strada a future applicazioni energetiche.