Capire meglio le celle solari a nanocristalli

Per la prossima generazione di celle solari, i cristalli di pochi nanometri sono molto apprezzati dagli scienziati. I semiconduttori realizzati con questi nanocristalli hanno eccellenti proprietà ottiche e, rispetto alle attuali celle solari al silicio, sfruttano una parte molto più ampia dello spettro della luce solare. Tuttavia, ci sono ostacoli al loro sviluppo: "Le celle solari a nanocristalli sono costituite da un gran numero di cristalli indipendenti combinati con un legante molecolare. All'interno di questo materiale composito, gli elettroni non scorrono ancora così bene come sarebbe necessario per un'applicazione commerciale", spiega Vanessa Wood, professoressa di materiali e componenti all'ETH di Zurigo. La fisica del trasporto di carica nei compositi di nanocristalli non è ancora stata pienamente compresa, motivo per cui l'ulteriore sviluppo sistematico dei compositi di nanocristalli è stato difficile.

In uno studio, Wood e i suoi colleghi hanno analizzato le celle solari a nanocristalli, che producono da soli nel loro laboratorio all'ETH di Zurigo, e hanno descritto per la prima volta il flusso di elettroni in tali celle in un modello fisico generalmente applicabile. "Il nostro modello tiene conto dell'effetto di una variazione delle dimensioni del cristallo, del materiale del cristallo o del legante molecolare sul trasporto di carica", spiega Wood. In futuro, il modello consentirà a tutti gli scienziati del settore di comprendere meglio i processi fisici all'interno delle celle solari a nanocristalli e di ottimizzare ulteriormente le celle solari.

Promettenti perché gli effetti quantistici

La ragione dell'entusiasmo di molti ricercatori di celle solari per i cristalli minuscoli risiede nella fisica quantistica: nei nanocristalli entrano in gioco effetti fisici quantistici (che non giocano un ruolo nei cristalli più grandi). Per i cristalli molto piccoli, importanti proprietà fisiche dipendono dalle dimensioni del cristallo. Poiché gli scienziati possono controllare questa dimensione nel processo di produzione, possono anche influenzare le proprietà dei semiconduttori nanocristallini e quindi ottimizzare la loro applicazione nella tecnologia solare.

Queste proprietà influenzabili comprendono la quantità di luce incidente che viene assorbita dal semiconduttore e convertita in elettricità. I semiconduttori non assorbono l'intero spettro luminoso del sole, ma solo le radiazioni con una lunghezza d'onda inferiore a quella massima dipendente dal materiale o, in altre parole, le radiazioni con energia superiore alla cosiddetta energia di band gap. Nella maggior parte dei semiconduttori, questo limite può essere modificato solo cambiando la composizione chimica dei materiali. Nei semiconduttori fatti di nanocristalli, tuttavia, questo limite di assorbimento può essere modificato anche alterando le dimensioni del cristallo. Gli scienziati possono quindi controllare le dimensioni dei nanocristalli durante la produzione, in modo che assorbano la maggior quantità di luce possibile dalla più ampia gamma dello spettro solare.

Altri vantaggi dei semiconduttori a nanocristalli: assorbono molta più luce solare rispetto ai semiconduttori di silicio convenzionali. Il materiale semiconduttore solfuro di piombo, ad esempio, che i ricercatori hanno utilizzato per il loro lavoro sperimentale, ha un assorbimento di diversi ordini di grandezza superiore. Ciò significa che anche una piccola quantità di materiale è sufficiente per la produzione di celle solari a nanocristalli. ? quindi possibile utilizzarlo per costruire celle solari molto sottili e flessibili.

L'efficienza deve essere aumentata

Il nuovo modello dei ricercatori dell'ETH risponde a una serie di domande finora in apertura. Ad esempio, in precedenza non esisteva alcuna prova sperimentale che l'energia di bandgap del materiale composito di nanocristalli dipendesse dall'energia di bandgap dei singoli nanocristalli. "Ora abbiamo dimostrato sperimentalmente per la prima volta che è così", afferma Wood.

Negli ultimi cinque anni, gli scienziati sono riusciti ad aumentare notevolmente l'efficienza delle celle solari a nanocristalli, ma anche le migliori celle solari di questo tipo hanno ancora una bassa efficienza: solo il nove per cento dell'energia luminosa del sole che colpisce la cella viene convertita in energia elettrica. "Per poter considerare applicazioni commerciali è necessaria un'efficienza di almeno il 15 percento", spiega Wood. Il lavoro del suo gruppo potrebbe ora contribuire ad aumentare il flusso di elettroni dentro e fuori le celle, producendo così più elettricità e aumentando l'efficienza.