Potenziare l’energia solare: i ricercatori della Duke stanno esplorando modi per migliorare i pannelli

Perché l’energia solare non è più ampiamente utilizzata? Dopotutto, le celle fotovoltaiche generano elettricità dalla luce solare, una risorsa gratuita e sostanzialmente infinita.

Uno dei motivi è che le celle fotovoltaiche di oggi sono relativamente inefficienti. Emettono solo circa un quarto dell'energia che ricevono dal sole. Se tale efficienza potesse essere migliorata, i pannelli solari potrebbero occupare meno spazio e produrre più elettricità.

“In fin dei conti, la sfida dell’energia solare è l’efficienza”, afferma Adrienne Stiff-Roberts, PhD, che è il professore Jeffrey N. Vinik di ingegneria elettrica e informatica. “Se le celle solari sono più efficienti, allora la tecnologia è meno costosa [per unità di elettricità prodotta] e si parla di energia rinnovabile in sostituzione delle fonti energetiche basate sul carbonio”.

Alla Duke, Stiff-Roberts e i suoi colleghi stanno lavorando su una nuova tecnologia fotovoltaica che un giorno potrebbe catturare più energia dalla luce solare.

Un modo per aumentare l’efficienza delle celle solari è modificarne la composizione chimica. Le attuali celle solari utilizzano il silicio, un elemento inorganico di lunga durata, ottimo nel trasportare cariche elettriche e soddisfacente nell'assorbire l'energia luminosa. Alcune molecole organiche, d'altro canto, sono ottime nell'assorbire l'energia luminosa, ma possono degradarsi rapidamente in presenza di umidità e ossigeno.

I benefici delle molecole organiche vanno oltre le loro proprietà di assorbimento della luce. "Un chimico organico può progettare molecole organiche che hanno tutti i tipi di funzioni", afferma Stiff-Roberts. "Possono essere flessibili."

Combinando composti inorganici e organici in un’unica cella solare, afferma Stiff-Roberts, si potrebbe offrire “il meglio di entrambi i mondi”. Ma lavorare con questo tipo di materiali ibridi non è facile.

Per prima cosa, il materiale ibrido deve essere depositato come una pellicola, spessa nanometri, che funziona come un semiconduttore. I semiconduttori a film sottile sono già onnipresenti nei dispositivi che usiamo ogni giorno, come telefoni cellulari, computer e televisori. Ma spesso questi semiconduttori sono costituiti da minerali inorganici. La tecnica con cui vengono depositati in film sottili non funziona per i composti organici.

Esistono modi per depositare molecole organiche in un film sottile, ma funzionano solo per piccole molecole organiche oppure sono difficili da depositare gli strati multipli necessari per le celle solari.

Ora, Stiff-Roberts e il suo team hanno sviluppato e dimostrato una tecnica per depositare materiali ibridi costituiti sia da composti inorganici che da composti organici di grandi dimensioni. "Il mio gruppo ha contribuito con un approccio innovativo che è fondamentalmente diverso da quello che facevano tutti gli altri", afferma.

“La nostra deposizione è molto gentile. La [molecola organica] viene trasferita dalla fonte al substrato senza alcun cambiamento.

Stiff-Roberts ha sfidato i processi tradizionali creando un'emulsione (si pensi all'olio e all'aceto) con le molecole organiche sospese come goccioline d'olio nell'acqua. Ciò protegge le grandi molecole dalla rottura durante la deposizione.

Recentemente le è stato assegnato un milione di $1 dalla National Science Foundation come BRITE Fellow per studiare la fattibilità di ampliare la sua tecnica di laboratorio per la deposizione di film sottili di materiali ibridi per renderla commercialmente fattibile per la produzione.

Uno dei materiali ibridi più promettenti che i ricercatori solari stanno cercando è la perovskite, un minerale naturale che è stato manipolato per accettare molecole organiche nella sua struttura cristallina. Le molecole organiche sono intrappolate nel reticolo cristallino come il burro negli alveoli di una cialda.

L’efficienza delle celle solari ibride sperimentali a base di perovskite è aumentata a passi da gigante negli ultimi dieci anni, migliorando molto più rapidamente rispetto alle tecnologie solari convenzionali e sperimentali. "Ciò ha stimolato tutti i tipi di investimenti e ricerche in questo spazio", afferma Stiff-Roberts, che ha già dimostrato che la sua tecnica funziona con perovskiti ibride a film sottile.

Stiff-Roberts collabora strettamente con i colleghi ingegneri della Duke, tra cui il teorico Volker Blum, professore associato di ingegneria meccanica e scienza dei materiali, e il progettista dei materiali David Mitzi, professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali della Simon Family alla Duke University.

I tre fanno parte di un centro nazionale, finanziato dal Dipartimento dell’Energia e con sede presso il Laboratorio Nazionale per le Energie Rinnovabili, che studia le proprietà fondamentali delle perovskiti e di altri materiali ibridi.

"C'è molto di questi materiali che non comprendiamo", afferma Stiff-Roberts, "e se non capisci il materiale, non puoi migliorarlo o controllarlo per realizzare dispositivi migliori".

Tuttavia, realizzare un dispositivo migliore è solo il primo passo. Stiff-Roberts afferma che la transizione dai combustibili fossili alle energie rinnovabili richiederà il coinvolgimento di molteplici discipline – non solo scienza e ingegneria, ma tutto, dalla politica all’economia. Scopre che gli studenti universitari e laureati della Duke si stanno immergendo in questi problemi con entusiasmo, spesso in contesti multidisciplinari, come i team Bass Connections a livello di campus o il Nicholas Institute for Energy, Environment, and Sustainability.

“Se si vogliono risolvere i problemi legati alle energie rinnovabili”, spiega, “è tutto correlato. E Duke ha esperienza in tutti questi aspetti più ampi. È qui che Duke ha qualcosa di unico da offrire”.

(C) Università Duke

Fonte articolo originale: WRAL TechWire