Le nuove celle solari che funzionano in condizioni di scarsa luminosità potrebbero caricare i dispositivi all’interno di edifici
Le celle solari a luce diffusa o DSSC potrebbero rappresentare l’alternativa a basso costo alle attuali celle al silicio.
Immagina di non dover più ricaricare il telefono, l’e-reader o il tablet. Ricercatori riferiscono di aver creato celle solari che lavorano a un’efficienza record per produrre elettricità dalla luce diffusa a bassa intensità presente all’interno degli edifici e all’esterno durante le giornate nuvolose. Le celle solari potrebbero un giorno portare a coperture che ricaricano continuamente i gadget senza doverli collegare.
Le celle solari a luce diffusa non sono nuove, ma le migliori si affidano a semiconduttori costosi. Nel 1991, il chimico Michael Graetzel del Federal Institute of Technology di Losanna ha inventato le cosiddette celle solari tintorizzate (DSSC)che funzionano meglio in condizioni di scarsa luminosità e sono più economiche dei semiconduttori standard. Eppure, in pieno sole, i migliori DSSC convertono solo il 14% dell’energia solare in energia elettrica — circa il 24% per le celle solari standard — essenzialmente perché il flusso di energia incidente è troppo alto per essere gestito dai DSSC. Quando l’energia arriva a un ritmo più lento, come avviene con la luce interna a bassa intensità, le DSSC di Graetzel potrebbero convertire in energia elettrica fino al 28% dell’energia luminosa che assorbono.
Le DSSC funzionano in modo leggermente diverso dalle celle solari al silicio standard . Nelle celle standard, la luce solare assorbita permette agli elettroni del silicio di saltare ad un livello energetico più elevato, consentendo loro di “liberarsi” dagli atomi e migrare verso un elettrodo a carica positiva. Lì vengono raccolti e smistati in un circuito elettrico dove possono produrre lavoro utile. Gli elettroni scomparsi lasciano posti vacanti chiamate lacune che, stranamente, possono anch’esse muoversi.
Nel corso del tempo, le lacune migrano verso l’elettrodo caricato negativamente, dove vengono riempiti di elettroni provenienti dal circuito esterno. Questo riequilibra le cariche negli atomi di silicio della cella solare, consentendole di continuare a produrre elettricità.
Queste DSSC però hanno compiuto un passo ulteriore: hanno ancora due elettrodi che raccolgono cariche negative e positive, ma nel mezzo, al posto del solo silicio, hanno un diverso conduttore di elettroni, tipicamente particelle di biossido di titanio (TiO2). TiO2 è un assorbitore di luce povero. I ricercatori hanno ricoperto le particelle con molecole di colorante organico che sono assorbitori di luce eccezionali.
I fotoni assorbiti eccitano elettroni e generano lacune su queste molecole coloranti, proprio come nel silicio. I coloranti distribuiscono immediatamente elettroni eccitati alle particelle di TiO2, che permette di far migrare gli elettroni fino all’elettrodo positivo. Le lacune nel frattempo, vengono depositate in un liquido conduttore chiamato elettrolita, dove migrano fino all’elettrodo a carica negativa.
Il problema con le DSSC è che le lacune non si muovono attraverso l’elettrolita molto rapidamente. Di conseguenza, le lacune tendono ad accumularsi vicino al colorante e alle particelle di TiO2. Se un elettrone eccitato finisce per incontrare una lacuna si fondono, generando calore invece di elettricità.
Per aggirare questo problema, i ricercatori hanno cercato di rendere i loro strati di elettroliti sottile, in modo che le lacune non debbano “viaggiare” molto lontano per raggiungere il loro obiettivo. Ma qualsiasi imperfezione in questi sottili strati può causare il cortocircuito dei dispositivi, un colpo mortale che uccide l’intera cella solare.
Ora Graetzel e i suoi colleghi hanno trovato una possibile soluzione. Hanno progettato una combinazione di molecole coloranti e conduttori di lacune che si avvolgono strettamente intorno alle particelle di TiO2, creando strati aderenti senza alcuna imperfezione. Ciò significa che le lacune lente hanno una minore distanza da percorrere prima di raggiungere l’elettrodo negativo. L’invenzione degli strati stretti, riportata in questi giorni su Joule, aumenta l’efficienza luminosa diffusa dei loro DSSC fino al 32%, vicino al massimo teorico.
“È davvero un bel passo avanti,” dice Michael Wasielewski, chimico della Northwestern University di Evanston, Illinois. I nuovi dispositivi convertono ancora solo il 13,1% della luce solare diretta in energia elettrica. Ma, poiché l’efficienza della luce diffusa è quasi del 20% superiore, ciò fa sperare che si possano trovare nuovi modi per aumentare l’efficienza dei dispositivi sotto la piena luce del sole. E poiché i DSSC sono molto più economici da produrre rispetto alle celle solari al silicio, se possono avvicinarsi all’efficienza del silicio a un costo inferiore, potrebbero rappresentare una formula vincente.
Fino ad allora, i DSSC a luce diffusa possono almeno aiutarci ad alimentare una serie di dispositivi senza cavi, spine o alimentazione esterna. Numerose aziende stanno già lavorando all’allestimento degli interni degli edifici con una precedente generazione di DSSC. E Graetzel dice di credere che le celle nuove e migliorate non faranno altro che accelerare l’adozione della tecnologia.
Tradotto in Italiano. Articolo originale: ScienceMag
VISIONARI è un’associazione non-profit che promuove l’utilizzo responsabile di scienza e tecnologia per il miglioramento della società. Per diventare socio, partecipare ai nostri eventi e attività, o fare una donazione, visita: https://visionari.org
Seguici su Facebook e Instagram per scoprire nuovi progetti innovativi.
