Le celle solari a punti quantici sono il nuovo orizzonte del fotovoltaico

La sintesi dei quantum dot

Progettando l'allineamento a fascia degli strati quantum dot attraverso l'utilizzo di diversi trattamenti colligatori, i ricercatori del MIT hanno stabilito un nuovo record di efficienza nel settore fotovoltaico dei cosiddetti  quantum-dot.

La tecnologia cella-solare è rapidamente avanzata, come testimoniano centinaia di gruppi in tutto il mondo che perseguono più di due dozzine di  approcci con diversi materiali, le possibili nuove tecnologie e gli approcci per migliorare l'efficienza e ridurre i costi.                                                          Ora un team di MIT ha stabilito un nuovo record per ottenere celle quantum-dot più efficienti - un tipo di cella solare particolarmente promettente a causa del suo costo,intrinsecamente basso, versatilità e leggerezza.

Mentre l'efficienza complessiva di questa cella è ancora bassa rispetto ad altri tipi - circa 9 per cento della energia della luce solare è convertita in elettricità - il tasso di miglioramento di questa tecnologia è uno dei più rapidi visti per una tecnologia solare. Lo sviluppo è descritto, dai professori del MIT Moungi Bawendi e Vladimir Bulovic e i dottorandi Chia-Hao Chuang e Patrick Brown.

Il nuovo processo è un'estensione di lavoro di Bawendi, professore di chimica al Lester Wolfe, per produrre punti quantici con caratteristiche precisamente controllabili -  come rivestimenti sottili uniformi che possono essere applicati ad altri materiali. Queste particelle minuscole sono molto efficaci nel trasformare la luce in elettricità, e viceversa. Dal primo sostanziale progresso verso l'uso di punti quantici per rendere efficienti le celle solari derivanti, Bawendi dice: "La comunità, negli ultimi anni, ha iniziato a capire meglio come funzionano queste cellule, e quali le limitazioni vi sono."

Il nuovo lavoro rappresenta un salto significativo nel superare queste limitazioni, aumentando il flusso di corrente nelle celle e quindi aumentando l'efficienza globale nel convertire la luce solare in energia elettrica.

Molti approcci per la creazione di celle solari flessibili e leggeri, basso costo, grande superficie soffrono di gravi limitazioni - come brevi durate di funzionamento quando sono esposte all'aria, o necessitano di alte temperature e camere a vuoto durante la produzione. Per contro, il nuovo processo non richiede un'atmosfera inerte o alte temperature per fare crescere strati  del dispositivo attivi, e le cellule risultanti non mostrano alcuna degradazione dopo più di cinque mesi di conservazione in aria.

Bulovic, professore di Emerging Technology al Fariborz Maseeh e decano per l'innovazione nella scuola di Ingegneria del MIT, spiega che i rivestimenti sottili di punti quantici "permette loro di fare quello che fanno individualmente - cioè di assorbire la luce molto bene - ma anche di riuscire a lavorare in gruppo ,e  trasportare bene. Questo permette a  tali cariche di essere rilevanti sul bordo della pellicola, dove possono essere sfruttate per fornire una corrente elettrica".

Il nuovo lavoro riunisce sviluppi da diversi campi per spingere ad una tecnologia per l'efficienza senza precedenti per un sistema basato sul  quantum-dot. . La cella solare prodotta dal team ha coinvolto reparti del MIT di fisica, chimica, scienza dei materiali e ingegneria e ingegneria elettrica e informatica. E’ stata aggiunta alla quotazione National Renewable Energy Laboratori di efficienze con un record di alta efficienza per ogni tipo di tecnologia cella-solare.

L'efficienza complessiva della cella è ancora inferiore rispetto a molti altri tipi di celle solari. Ma Bulovic sottolinea, "Silicon  ha avuto sei anni per arrivare dove è oggi, anche se il silicio non ha ancora raggiunto il limite teorico. Non si può sperare di avere una tecnologia completamente nuova battendo gli attuali operatori in soli quattro anni di sviluppo.E la nuova tecnologia ha vantaggi importanti, in particolare un processo produttivo che è molto meno costoso rispetto ad altri tipi ad alta intensità energetica.

Chuang aggiunge, "Ogni parte della cellula, tranne gli elettrodi per ora, possono essere depositati dalla soluzione a temperatura ambiente, in aria. E 'davvero senza precedenti ".

Il sistema è così nuovo che ha anche potenziale come strumento di ricerca di base.                              "C'è molto da imparare perché è così stabile. C'è molto più da fare, per usarlo come banco di prova per la fisica, -dice Bulovic- per capire perché i risultati sono a volte meglio di quanto ci aspettiamo ".

Una ricerca d’appoggio concepita insieme da Jeffrey Grossman del MIT, Carl Richard Soderberg ,professore associato di Ingegneria Energetica, e altri tre, spiega in dettaglio la scienza dietro la strategia impiegata per raggiungere questa efficienza innovativa.

Il nuovo lavoro rappresenta una svolta per Bawendi, che ha trascorso gran parte della sua carriera lavorando con i punti quantici. "Ero un po 'scettico -ha detto- quattro anni fa. Ma la ricerca della mia squadra da allora- ha poi aggiunto- dimostra chiaramente il potenziale dei punti quantici nelle celle solari. "

Arthur Nozik, professore di ricerca in chimica presso l'Università del Colorado, non coinvolto in questa ricerca, afferma: "Questo risultato rappresenta un avanzamento significativo per le applicazioni di film quantum-dot e la tecnologia della bassa temperatura, la soluzione-processing, e le celle fotovoltaiche quantum-dot. C'è ancora una lunga strada da percorrere prima  che le celle solari quantum-dot siano commercialmente redditizie, ma questo ultimo sviluppo è un bel passo verso questo obiettivo finale. "