Il costo dell’energia solare sta scendendo sempre più. Ha praticamente raggiunto, almeno in alcuni Paesi, quello delle fonti fossili. Eppure attualmente rappresenta l’1% all’interno del mix energetico mondiale. La tecnologia sta facendo passi da gigante nel migliorare il funzionamento delle celle solari, ma il modello che predomina da un decennio è quello in silicio. Queste celle arrivano ad un’efficienza del 15-20%, ma ora una nuova ricerca potrebbe far arrivare ad un teorico 50%.

Lo studio è stato realizzato in collaborazione tra il MIT (Massachusetts Institute of Technology) e il Masdar Institute of Science and Technology (Abu Dhabi). Eugene Fitzgerald del MIT, professore di Scienze dei materiali e Ingegneria presso il Merton C. Flemings-SMA e Ammar Nayfeh del Masdar Institute, professore associato di Ingegneria Elettrica e Informatica, lo hanno condotto e stanno pensando alla creazione di una startup per commercializzare la loro innovativa cella solare.

Si tratta di una cella realizzata in doppio strato. Ne esistono già e servono per catturare quanta più energia dal sole. Le celle in silicio tradizionali riescono a convertire in modo efficace la luce in energia elettrica, solo per i fotoni a bassa energia, quelli nella banda del rosso.

Esistono pannelli con uno strato in arseniuro di gallio o in fosfuro di gallio, innovativi semiconduttori, che permettono di captare anche le onde più energetiche (sul blu, verde, giallo). Hanno però il problema del costo elevato e ad oggi vengono utilizzati solo in applicazioni di nicchia, come ad esempio sui satelliti.

Il team congiunto ha trovato però un modo per utilizzare lo stesso principio riuscendo a ridurre i costi. Innanzitutto hanno sfalsato gli strati: sopra c’è uno strato in fosfuro arseniuro di gallio (GaAsP) che aumenta le potenzialità di produzione energetica del modulo, sotto c’è uno strato in silicio a basso costo che assorbirà fotoni a bassa energia. Come spiega Sabina Abdul Hadi, dottoranda presso il Masdar Institute, che sta realizzando la sua tesi proprio su questi temi:

Abbiamo capito che quando lo strato superiore di fosfuro arseniuro di gallio rivestiva completamente lo strato di silicio inferiore, i fotoni a bassa energia erano assorbiti dal silicio germanio – il substrato sul quale è cresciuto il fosfuro arseniuro di gallio- e quindi la cella solare aveva un’efficienza molto più bassa.

Staccando lo strato superiore ed esponendo parte dello strato di silicio siamo stati in grado di aumentare notevolmente l’efficienza.

L’introduzione di un filtro in silicio-germanio è stata pensata dai ricercatori del MIT. È un substrato essenziale per la formazione del semiconduttore in GaAsP. Il Prof. Nayfeh spiega perché:

Il fosfuro arseniuro di gallio, non può essere coltivato direttamente sul silicio, perché i suoi reticoli cristallini differiscono notevolmente dal silicio, in tal modo i cristalli di silicio si degradano. Ecco perché facciamo crescere il fosfuro arseniuro di gallio su silicio-germanio. Fornisce una base più stabile.

Lo strato in silicio-germanio contribuisce però ad assorbire le onde luminose a bassa frequenza, tale problema è stato risolto appunto sfalsando i due strati, in modo che quello inferiore fuoriesca dal superiore. Questo materiale ha dalla sua il notevole vantaggio che a fine utilizzo può essere prelevato e riutilizzato. È questo che contribuisce a ridurre notevolmente i costi.

Si tratta di una scoperta che potrebbe davvero rivoluzionare il mondo delle rinnovabili. Gli scienziati hanno esposto i loro risultati già in diverse sedi: in giugno alla 43esima IEEE Photovoltaic Specialists Conference a Portland, in Oregon (ne avevano parlato anche alla 40esima e alla 42esima edizione) e tutto è stato pubblicato sul Journal of Applied Physics e sull’IEEE Journal of Photovoltaics. Ora non resta che vedere definitivamente trasformarsi i frutti di questa innovativa collaborazione internazionale in una realtà imprenditoriale di successo.

31 agosto 2016
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MIT
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