Nuovo record mondiale per il fotovoltaico di ultima generazione
(Rinnovabili.it) – Sono state ipotizzate per la prima volta nel 1989 ma prima di ottenere un’unità funzionale sono passati 11 anni, nonostante già nel 2001 fossero viste come la promessa del fotovoltaico di nuova generazione. Parliamo delle celle solari a punti quantici o “quantum dots” (QD), dispositivi che impiegano minuscole sfere di materiale semiconduttore di appena 2-10 miliardesimi di metro di diametro.
L’ultimo grande progresso nel campo arriva dall’Istituto Nazionale di Scienza e Tecnologia di Ulsan (UNIST), in Corea del Sud. Qui un gruppo di ingegneri, guidati dal Professor Sung-Yeon Jang, ha segnato il record mondiale di efficienza per questa tecnologia. Un 18,1% già segnalato nel 2022 e oggi messo nero su bianco con un dettagliato studio su Nature Energy (testo in inglese).
Cosa sono le celle solari a punti quantici?
Le celle solari a punti quantici impiegano come materiale fotovoltaico nanoparticelle semiconduttrici le cui dimensioni determinano le bande proibite. In altre parole variando la grandezza dei punti quantici è possibile sintonizzarli per rispondere a diverse lunghezze d’onda della luce. Più diventano piccoli, più la loro capacità di assorbimento luminoso si sposterà verso la luce blu, porzione visibile dello spettro ad alta energia.
Ma i quantum dots possiedono anche un altro vantaggio: possono aumentare notevolmente l’efficienza di conversione della luce solare in energia – forse addirittura raddoppiandola in alcuni dispositivi – grazie alla loro capacità di generare più di una coppia elettrone-lacuna, o eccitone, per ogni fotone in arrivo. Le attuali celle solari producono solo un eccitone per fotone incidente, nei punti quantici invece si registra un effetto chiamato “generazione di eccitoni multipli” (MEG) che permette di estrarre più energia. Il NREL ha dimostrato che il fotovoltaico quantum dots sotto la luce solare concentrata potrebbe raggiungere efficienze di conversione massime teoriche doppie rispetto a quelle ottenibili dal solare convenzionale: fino al 66%, rispetto al 31% delle celle di prima e seconda generazione.
Fotovoltaico QD, le sfide rimaste aperte
Di contro si tratta di una tecnologia “nuova”, con pochi anni alle spalle, e i risultati pratici non riescono ancora a competere con quelli del silicio cristallino. Prima che i QD diventino tecnologicamente significativi, gli scienziati devono imparare come dividere gli eccitoni creati e raccogliere i portatori di carica risultanti con alta efficienza. Nonostante le celle solari a punti quantici debbano superare ancora diversi problemi prima di divenire appetibili per il commercio di massa, alcuni piccoli produttori si sono lanciati nell’impresa con prodotti di nicchia, come le finestre fotovoltaiche QD di UbiQD.
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Celle solari quantum dots in perovskite, efficienza al 18,1%
Il lavoro sudcoreano spalanca le porte ad una nuova era di progressi affrontando una delle principali sfide tecniche nel campo. Le celle solari quantum dots offrono la maggiore efficienza teorica quando realizzate con materiali organici. Sfortunatamente tali materiali soffrono di difetti che le rendono meno stabili alla luce solare e agli stress ambientali. Per aggirare il problema, sono impiegati normalmente materiali inorganici, che però ne limitano la resa.
Il team dell’UNIST ha realizzato i punti quantici con una perovskite organica e ha sviluppato un nuovo metodo per ancorarli al substrato posizionandoli molto vicini fra loro. Ciò ha aumentato l’efficienza fino al livello record del 18,1% e ha reso le nuove celle molto più stabili. Sottoposte a test hanno mantenuto la loro efficienza di conversione iniziale per 1.200 ore in condizioni normali e per 300 ore a una temperatura di 80°C.
“La nostra tecnologia sviluppata ha raggiunto un’impressionante efficienza del 18,1% nelle celle solari QD”, ha affermato il professor Jang. “Questo straordinario risultato rappresenta la più alta efficienza tra le celle solari a punti quantici riconosciuta dal prestigioso National Renewable Energy Laboratory (NREL) negli Stati Uniti”.