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Pannelli solari con efficienza al 66%: potrebbero diventare realtà

Uno studio potrebbe aver trovato un modo per produrre chimicamente un fotovoltaico con efficienza al 66%

I risultati di una ricerca statunitense potrebbero migliorare l’efficienza delle celle solari hot-carrier portandola addirittura al 66%. Si tratta di celle che convertono la luce solare in elettricità in modo più efficiente rispetto alle celle solari convenzionali, sfruttando i portatori di carica fotogenerati prima che perdano energia tramite calore.
Lo studio, guidato dall'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento di Energia e dall'Università del Tennessee, Knoxville, ha individuato un sistema che permette di rallentare i fononi, cioè le onde che trasportano il calore.
 
"Abbiamo dimostrato che i tempi di trasporto termico e di raffreddamento del portatore di carica possono essere manipolati modificando la massa degli atomi di idrogeno in un materiale fotovoltaico", ha spiegato Michael Manley di ORNL. "Questo processo di estensione della durata dei portatori di carica mette in luce nuove strategie per raggiungere un'efficienza record di conversione di energia da solare a elettrica celle solari hot-carrier di nuova generazione".
 
Mahshid Ahmadi dell'Università del Tennessee ha osservato: "L'ottimizzazione della dinamica delle molecole organiche può consentire il controllo dei fononi, importanti per la conduttività termica nelle perovskiti organometalliche", materiali semiconduttori promettenti per le applicazioni fotovoltaiche.
 
Manley e Ahmadi hanno lavorato a lungo fino ad arrivare alla definizione di un modo per inibire il raffreddamento della carica attraverso la sostituzione di un isotopo leggero con uno più pesante in una perovskite organometallica.
 
Così, quando la luce solare colpisce una cella solare, i fotoni creano portatori di carica - elettroni e lacune - in un materiale assorbitore. Le celle solari hot-carrier convertono rapidamente l'energia dei portatori di carica in elettricità prima che essa venga persa come calore di scarto. Agire su questo tempo, prevenendo la perdita di calore è una grande sfida, considerando che queste celle solari hanno il potenziale per essere due volte più efficienti rispetto alle celle solari convenzionali.
 
L'efficienza di conversione delle celle solari convenzionali in perovskite è migliorata dal 3% del 2009 fino ad arrivare a oltre il 25% nel 2020, ma una cella solare hot-carrier ben progettata potrebbe arrivare a raggiungere addirittura un'efficienza di conversione vicina al 66%.
 
"Abbiamo sostanzialmente rallentato la velocità con cui le molecole possono oscillare, in modo simile a rallentare un pattinatore sul ghiaccio che gira tenendo dei pesi nelle mani", ha spiegato Hermann.
Lo studio ha fornito una comprensione senza precedenti dell'effetto dell'aumento della massa atomica sul trasferimento di calore e le misurazioni effettuate dall’ORNL hanno rivelato un effetto che ha superato di gran lunga quello che ci si aspettava dal cambiamento della massa dell'idrogeno: la deuterazione, cioè l'introduzione in una molecola di atomi di deuterio al posto di atomi d'idrogeno, ha rallentato il trasporto di calore così tanto che il tempo di raffreddamento del portatore di carica è raddoppiato.
 
La scoperta fatta nello studio condotto da ORNL-UT potrebbe quindi fornire un grande vantaggio per i futuri produttori di celle solari hot-carrier.
 
"I fononi sembrano un elemento efficace da gestire e modificare, e ora sappiamo come farlo", ha detto Manley, mentre Ahmadi ha aggiunto: "Questa conoscenza può essere utilizzata per guidare la progettazione dei materiali per applicazioni oltre il fotovoltaico, come sensori ottici e dispositivi di comunicazione".
 
Immagine originale da: Ornl.gov
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