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Nuovi materiali fotovoltaici per pannelli solari ultrasottili e leggeri Un team di ingegneri ha raggiunto un’efficienza record nei TMD, un promettente gruppo di semiconduttori bidimensionali.
Il silicio domina nel mercato dei pannelli solari in quanto può essere prodotto su larga scala a costi meno elevati delle alternative e perché possiede un alto livello di efficienza. Di contro, però, il basso coefficiente di assorbimento ottico e la natura fragile rendono impossibile usare questo semimetallo in celle ultrasottili e flessibili, prerequisito importante per integrare la tecnologia fotovoltaica in applicazioni mobili.
L’ingegneria solare sta cercando da tempo efficienti semiconduttori per creare pannelli flessibili e incredibilmente sottili. Oggi, un team di ricercatori della Stanford University ha raggiunto prestazioni record in un promettente gruppo di materiali fotovoltaici. Si tratta dei TMD, o dicalcogenuri di metalli di transizione, una famiglia di materiali semiconduttori bidimensionali. Il vantaggio principale di questi materiali è che assorbono livelli ultra elevati della luce solare che colpisce la loro superficie rispetto ad altri materiali solari.
I TMD sono molto promettenti, ma fino a oggi i test di ricerca hanno faticato a trasformare in elettricità più del 2% della luce solare che assorbono. Per i pannelli solari al silicio questo valore si avvicina al 30%. Il nuovo prototipo sviluppato dagli ingegneri di Stanford, invece, ha raggiunto un’efficienza di conversione di potenza del 5,1%, ma gli autori prevedono che potrebbe raggiungere il 27% di efficienza grazie alle ottimizzazioni ottiche ed elettriche. Questa cifra si avvicinerebbe molto a quella dei migliori pannelli solari oggi in commercio.
Il materiale fotovoltaico mostra anche un rapporto potenza-peso 100 volte maggiore rispetto a qualsiasi altro TMD finora sviluppato. Tale valore è importante per applicazioni mobili come droni e veicoli elettrici. Per quanto riguarda la potenza specifica, il prototipo ha prodotto 4,4 watt per grammo, una cifra competitiva con altre celle solari a film sottile, compresi altri prototipi sperimentali. Ma il più grande vantaggio è la notevole sottigliezza, che non solo riduce al minimo l’utilizzo e il costo del materiale, ma rende le celle solari TMD leggere e flessibili e quindi in grado di essere modellate su forme irregolari.
I ricercatori di Stanford hanno realizzato un array attivo che ha uno spessore di poche centinaia di nanometri. L’array include il diselenuro di tungsteno TMD fotovoltaico e contatti d’oro attraversati da uno strato di grafene conduttore che ha uno spessore di un solo atomo. Tutto ciò è inserito tra un polimero flessibile simile alla pelle e un rivestimento antiriflesso che migliora l’assorbimento della luce. Completamente assemblate, le celle TMD hanno uno spessore inferiore a sei micron. In pratica, ci vorrebbero 15 strati per raggiungere lo spessore di un singolo foglio di carta.
«Immagina un drone autonomo che si alimenta con un array solare in cima alla sua ala che è 15 volte più sottile di un pezzo di carta. Questa è la promessa dei TMD», ha dichiarato Koosha Nassiri Nazif, dottorando in ingegneria elettrica a Stanford e co-autore principale dello studio. I TMD sono anche stabili e affidabili a lungo termine. Inoltre, non contenendo sostanze tossiche, sono biocompatibili e perciò potrebbero essere adoperati in applicazioni indossabili che richiedono il contatto diretto con la pelle.
