[24/04/2013] News
Rivoluzione per i pannelli fotovoltaici? Conversione dei fotoni in elettroni: due al prezzo di uno
Una nuova tecnica sviluppata dal Mit aumenta di molto l’efficienza dei pannelli solari
I ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) dicono di aver fatto un importante passo avanti nella conversione della luce solare in energia elettrica, riuscendo a superare lo Shockley-Queisser efficiency limit, quello che per lungo tempo si è creduto fosse un limite assoluto per l'efficienza dei dispositivi a celle solari. Mentre il processo utilizzato normalmente nel fotovoltaico utilizza gli elettroni per produrre corrente elettrica, ma spreca l'eccesso di energia trasportata dai fotoni, i ricercatori del Mit descrivono con External quantum efficiency above 100% in a singlet-exciton-fission-based organic photovoltaic cell, pubblicato su Science, un nuovo procedimento che utilizza l'energia supplementare per produrre due elettroni, sfruttando la cosiddetta "singlet exciton fission" e rendendo il processo molto più efficiente, producendo più energia elettrica.
Un eccitone è lo stato eccitato di una molecola dopo l'assorbimento di energia. Mentre si sapeva già che il materiale usato nella cella solare organica, noto come pentacene, produceva due eccitoni da un fotone, i ricercatori dicono che è la prima volta che qualcuno ha dimostrato il principio in un dispositivo fotovoltaico. Mentre un normale pannello solare raggiunge un'efficienze non superiore al 25%, secondo gli scienziati del Mit «Questo processo può essere utilizzato per raggiungere efficienze superiori al 30%».
Per decenni la ricerca sulle celle solari ha considerato invalicabile la formula del Shockley-Queisser efficiency limit, che postula che il massimo rendimento di conversione non può mai superare il 34% per un singolo semiconduttore ottimizzato. I ricercatori del Mit hanno invece dimostrato che c'è un modo per saltare facilmente oltre questo limite, «Con la stessa facilità con la quale i jet da combattimento odierni superano la barriera del suono».
Il team del Mit è riuscito, per la prima volta, ad effettuare un riuscito test di "proof of principle", conosciuto come singlet exciton fission e spiega che «In una cella fotovoltaica standard, ciascun fotone "bussa" esattamente come un lento elettrone all'interno del materiale fotovoltaico. Quell'elettrone lento quindi può essere sfruttato attraverso fili per fornire una corrente elettrica. Ma nella nuova tecnica, ciascun fotone può invece "bussare" due elettroni. Questo rende il processo molto più efficiente: in una cella standard, qualsiasi eccesso di energia trasportata da un fotone viene sprecata sotto forma di calore, mentre nel nuovo sistema l'energia in più va nella produzione di due elettroni invece di uno».
Altri avevano già "diviso" l'energia del fotone utilizzando la luce ultravioletta, una componente relativamente secondaria della luce solare sulla superficie terrestre. Il nuovo lavoro per la prima volta riesce a farlo con la luce visibile, il che apre la strada ad applicazioni pratiche nei pannelli fotovoltaici. Tutto questo è stato realizzato utilizzando il pentacene, un composto organico, in una cella solare organica. Marc Baldo, direttore del Center for excitonics finanziato dal Dipartimento dell'energia Usa, sottolinea che «Tutto il nostro progetto era diretto a dimostrare quanto questo processo di scissione fosse efficace. Abbiamo dimostrato che possiamo passare attraverso quella barriera».
Daniel Congreve, un altro dei partecipanti allo studio, spiega che «La base teorica di questo lavoro è stata posta tempo fa, ma nessuno era stato in grado di realizzare in un sistema funzionante davvero. Tutti sapevano che si poteva farlo, stavano solo aspettando qualcuno per farlo». Richard Friend, un fisico dell'Università di Cambridge che non ha partecipato allo studio, aggiunge: «Questa è l'evento di riferimento che tutti attendevamo di vedere. Questa è davvero grande ricerca».
Siamo però appena al primo test, e il team del Mit non ha ancora ottimizzato l'efficienza della conversione energetica del sistema, che resta inferiore al 2%. «Ma far aumentare l'efficienza attraverso un'ulteriore ottimizzazione dovrebbe essere un processo semplice - dicono i ricercatori - Sembra che non ci sia nessun ostacolo fondamentale. Mentre i pannelli solari commerciali di oggi hanno in genere un rendimento al massimo il 25%, una cellula solare al silicio sfruttando la singlet fission dovrebbe rendere fattibile raggiungere l'efficienza di oltre il 30%. Un enorme salto, in un campo tipicamente caratterizzato dalla lentezza, nel progresso incrementale. Nella ricerca sulle cellule solari, le persone si sforzano per ottenere un aumento di un decimo di punto percentuale. L'efficienza del pannello solare può anche essere migliorata con "accatastamenti" di diverse celle solari insieme, ma unire le celle solari è costoso con i materiali convenzionali. La nuova tecnologia promette invece di lavorare come un rivestimento a buon prezzo sull'interfaccia delle celle solari».
La ricerca ha utilizzato materiali conosciuti, ma il team sta ora studiando nuovi materiali che possano eseguire lo stesso "trucco" anche meglio, ed i ricercatori hanno già iniziato ad esplorare possibili alternative in modo più sistematico.