Le celle solari tridimensionali, uniche nel loro genere, catturano praticamente tutta la radiazione luminosa che le colpisce, e potrebbero far lievitare l’efficienza dei sistemi fotovoltaici, riducendone le dimensioni, il peso e la complessità meccanica. Le nuove celle solari 3D – sviluppate dalla squadra di ricerca capeggiata dall’Ingegner Jud Ready, Ingegnere senior di ricerca all’Istituto di Ricerca dell’Istituto di Tecnologia della Georgia – catturano i fotoni della luce del sole utilizzando strutture a “torre” in miniatura paragonabili ad edifici a più piani disposti in una griglia stradale urbana. Questo tipo di celle potrebbe trovare impiego nei motori delle astronavi e permettere miglioramenti nell’efficienza dei materiali di rivestimento delle celle fotovoltaiche tradizionali, cambiando anche la struttura e la geometria delle celle solari stesse. ‘Il nostro obiettivo è raccogliere ogni singolo fotone che raggiunge le celle’, ha affermato Jud Ready, ‘catturando più radiazione solare possibile nelle strutture 3D. In questo modo possiamo usare ordini fotovoltaici molto più piccoli. Su un satellite o un’astronave ciò significherebbe minor peso e minor occupazione di spazio rispetto ad un tradizionale sistema fotovoltaico’. La ricerca è stata patrocinata dall’Air Force Office of Scientific Research, dal Laboratorio di Ricerca dell’Aeronautica Militare, NewCyte Inc., e dall’Intellectual Property Partners, LLC. Queste celle fotovoltaiche intrappolano la luce tra le strutture a torre, alte 100 micron, con base quadrata di dimensioni 40×40 micron, costituite da nanotubi di carbonio che contengono milioni di strati allineati verticalmente. Poichè le strutture a torre possono intrappolare e assorbire la luce proveniente da direzioni diverse, queste nuove celle sono efficienti anche quando la radiazione solare non è diretta. Ciò potrebbe consentire il loro utilizzo su astronavi senza meccanismi o sistemi che le mantengano costantemente orientate verso il sole, riducendone il peso e la complessità, con un notevole miglioramento della resa. ‘L’efficienza delle nostre celle aumenta con l’allontanamento dalla perpendicolare ai raggi solari, dunque non esiste più la necessità di prevedere inseguitori solari meccanici sui quali applicare le celle’, afferma Ready. La capacità delle celle 3D di assorbire praticamente tutta la luce che le colpisce permettere un notevole miglioramento nell’efficienza con cui le celle convertono il fotone assorbito in corrente elettrica. Poiché le celle 3D assorbono più fotoni delle celle convenzionali, il loro rivestimento può essere più sottile, consentendo agli elettroni di spostarsi più velocemente, e riducendo la probabilità che possa avvenire la ricombinazione. La produzione delle celle inizia con l’applicazione di una cialda di silicio, che può servire anche da strato di congiunzione inferiore. I ricercatori ricoprono dapprima la cialda con uno strato sottile di ferro, usando un processo di fotolitografia. La cialda così modellata è poi collocata in una fornace ad alta temperatura, circa 780 °C. Vengono poi introdotti nella fornace gas idrocarburi: carbonio e idrogeno si separano all’interno della fornace. Nel processo conosciuto come deposizione chimica del vapore, i nanotubi di carbonio crescono in multi-strato al di sopra del deposito di ferro. Una volta che le torri di carbonio sono cresciute, i ricercatori usano un processo conosciuto come raggio molecolare di epitaxy per ricoprirle di tellururo di cadmio (CdTe) e di solfuro di cadmio (CdS), che serve da strato di giunzione per le zone p/n. Al di sopra di tutto questo viene steso un sottile rivestimento di ossido di stagno e indio, un materiale conduttore trasparente, che funge da strato superiore dell’elettrodo. Nelle celle finite gli schieramenti di nanotubi di carbonio servono sia come sostegno per le celle 3D sia come un conduttori, collegando il materiale fotovoltaico alla cialda di silicio. I ricercatori hanno scelto di elaborare i prototipi delle celle dal cadmio poiché erano a conoscenza delle sue potenzialità da ricerche condotte in precedenza. Comunque, potrebbe essere utilizzata una vasta gamma di altri materiali fotovoltaici, e selezionare il materiale migliore per ogni tipo di specifica applicazione sarà l’obiettivo delle future ricerche. ‘Adesso abbiamo bisogno di confrontare tra loro i materiali esistenti – ha confermato Ready – per riuscire ad ottimizzare e a far avanzare questa tecnologia’. L’Ingegner Ready e la sua squadra di ricercatori compiranno ulteriori approfondimenti sulle altezze e sulle distanze ottimali delle torri, per determinare le relazioni tra la distanza e l’angolo d’incidenza del raggio solare sulle strutture. Le nuove celle non possono ancora essere prodotte a livello commerciale, poiché incontrano numerosi ostacoli dal punto di vista della produzione. L’Intellectual Property Partners of Atlanta detiene i diritti del progetto delle celle solari 3D e cerca dei partner per commercializzare la tecnologia. Un altro fronte per la commercializzazione è sostenuto da una società dell’Ohio, NewCyte, che insieme all’Istituto di Tecnologia della Georgia sta elaborando un uso alternativo per queste celle solari. L’Air Force Office of Scientific Research ha approvato la concessione per lo sviluppo della tecnologia con una Small Business Technology Transfer (STTR). ‘Il NewCyte ha in sospeso il brevetto per la tecnologia a basso costo per la deposizione degli strati di semiconduttore direttamente sulle singole celle’ ha spiegato Dennis J. Flood, presidente di NewCyte. ‘Usiamo la nostra tecnologia per far crescere gli stessi strati di semiconduttore sulle torri di nanotubi di carbonio. Il nostro scopo è conseguire livelli di prestazione e costo che renderanno le celle solari 3D competitive sul mercato’. (fonte www.gatech.edu)