Come raddoppiare l'efficienza delle celle solari

Nelle attuali celle fotovoltaiche, un fotone incidente su una molecola del materiale che le costituisce può dare origine a un singolo elettrone, a prescindere dall'energia di cui è dotato il fotone. Ma in alcuni materiali organici, questa energia può venire ripartita fra più molecole, in modo da liberare non uno ma due elettroni, in pratica raddoppiando l'efficienza del processo

La prospettiva concreta di raddoppiare l'efficienza delle celle fotovoltaiche è stata aperta da un nuovo studio condotto da ricercatori dell'Università di Cambridge con la collaborazione del Laboratorio di chimica dei nuovi materiali dell'Université de Mons, in Belgio, che firmano [Clicca e scopri il signif un articolo su “Nature Chemistry”.

Nelle celle solari l'elettricità si produce quando un fotone viene assorbito dalle molecole del materiale di cui sono composte: l'energia apportata dal fotone fa sì che uno degli elettroni di un atomo del materiale si trasforni in un eccitone, una quasi-particella costituita da un elettrone, quindi una carica negativa, che orbita attorno alla lacuna positiva prodotta dall'elettrone stesso quando, eccitato dal fotone, ha abbandonato il suo posto per trasferirsi a un livello di energia maggiore. L'eccitone è in un certo qual modo simile a un atomo, solo che in questo caso l'elettrone ha una libertà di movimento molto più grande. Le interazioni dell'elettrone che fa parte dell'eccitone con la materia circostante possono poi svincolare l'elettrone stesso dalla lacuna. In questo modo tutto il processo alla fine genera un elettrone per ogni fotone assorbito, indipendentemente dal livello energetico del fotone incidente.

Per questo motivo le celle fotovoltaiche sono efficienti nell'infrarosso, i cui fotoni hanno un'energia non molto superiore a quella necessaria a innescare il processo. Ma diventano meno efficienti via via che ci si sposta verso la regione visibile e quella ultravioletta dello spettro elettromagnetico, dato che gran parte dell'energia in più di cui sono dotati i fotoni in quelle bande dello spettro, rispetto a quella caratteristica dei fotoni nell'infrarosso, viene in pratica sprecata.

Brian J. Walker e colleghi hanno studiato in particolare i meccanismi che portano dall'assorbimento del fotone alla generazione dell'elettrone libero, scoprendo che se questo è dotato di molta energia, allora quest'ultima può essere ripartita fra molecole diverse, così da creare non uno ma due elettroni liberi, ossia a un raddoppio della corrente generata nella cella. In particolare, questa ripartizione dell'energia può essere indotta in alcune molecole organiche quando sono in una condizione di alta densità, grazie a un effetto quantomeccanico in base a cui lo spin elettronico passa dal suo stato iniziale di “singoletto” a un assetto alternativo detto di “tripletto”.

“Questi tipo di fissione di un eccitone di singoletto in due stati eccitati di tripletto – spiega Walker - apre la strada all'aumento dell'efficienza delle celle solari utilizzando materiali a basso costo. Stiamo cominciando solo ora a capire come funziona questo processo, e a mano a mano che ne sapremo di più ci aspettiamo ulteriori miglioramenti nella tecnologia."

Fonte dati: www.lescienze.it/news/2013/11/20/news/celle_solari_eccitono_raddoppio_efficienza-...

Ottima ricerca, forza-forza che sta tanto da lavorare per migliorare...