Come funziona il fotovoltaico a nanocristalli colloidali?
La ricerca sull’energia solare non smette di testare nuovi materiali fotovoltaici che possano un giorno prendere il posto del silicio. Uno di questi è il solfuro di bismuto d’argento (AgBiS2), un composto appartenente alla nicchia del fotovoltaico a base di nanocristalli semiconduttori colloidali.
Di cosa si tratta? Di particelle di materiale semiconduttore su scala nanometrica, disperse in una soluzione colloidale e dimensionate per assorbire lunghezze d’onda specifiche. In generale si presentano come una sorta di inchiostri facili da processare a temperatura ambiente e da depositare su diversi substrati.
In questo campo il solfuro di bismuto d’argento offre anche il vantaggio di essere atossico e abbondante. Non solo. Questo composto presenta un’eccellente fotoconduttività ed elevati coefficienti di assorbimento, rendendosi particolarmente allettante per una nuova generazione di celle solari.
Celle solari in AgBiS2, problemi e soluzioni
Il problema principale? L’efficienza di conversione. Quando questo materiale supera un certo spessore, l’elettricità “non scorre bene”, causando un forte calo nelle prestazioni. La causa è da ricercare nelle numerose trappole superficiali che fungono da siti di ricombinazione dei portatori di carica, riducendo la loro capacità di muoversi liberamente.
Per affrontare questa sfida, un gruppo di ricercatori del Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST), in Corea del Sud, ha messo mano al metodo di produzione. Nel dettaglio il gruppo ha sviluppato una pellicola sottile di AgBiS2 con una speciale struttura mista che miscela materiali donatori e accettori di elettroni. Consentendo così all’elettricità di muoversi in modo più efficiente all’interno.
Questo approccio ha permesso di realizzare uno strato di assorbimento della luce da 65 nm, vale a dire spesso il doppio di quelli convenzionali, migliorando però le prestazioni. Le celle solari in nanocristalli colloidali di AgBiS2 hanno raggiunto un’efficienza di conversione dell’8,26%. Piccola ovviamente rispetto le controparti commerciali ma sufficiente a ricaricare uno smartphone quattro o cinque volte, spiegano gli scienziati.
“Questa ricerca ha notevolmente aumentato la lunghezza di diffusione della carica consentendo al donatore e all’accettore di coesistere nello stesso strato della cella solare AgBiS2. E mantenendo così le prestazioni anche in strati più spessi”, ha affermato il Prof. Choi Jong-min del Dipartimento di Scienze e Ingegneria Energetiche del DGIST. “Ci aspettiamo che questa tecnologia ecosostenibile venga applicata a varie celle solari ad alta efficienza in futuro”. La ricerca è pubblicata sulla rivista Advanced Energy Materials.
Efficienza al 10%
In realtà non si tratta dell’unico miglioramento nel campo del fotovoltaico a base di nanocristalli colloidali. Alla fine dello scorso anno un gruppo di ingegneri del Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), sempre Corea del Sud, ha migliorato le prestazioni del bismuto disolfuro d’argento con un altro approccio.
Il team ha sviluppato un nuovo polimero a base di dichetopirrolopirrolo ottimizzato come strato di trasporto delle lacune, che riduce significativamente la ricombinazione di carica. La cella solare in AgBiS2 basata sul nuovo polimero ha raggiunto un’efficienza di conversione del 10,1%. La ricerca è stata pubblicata su Advanced Energy Materials.