Nuovi pannelli solari ad alto rendimento

Rinaldo Cervellati

 

Ricercatori del MIT (Massachusetts Institute of Technology) hanno recentemente sostenuto che con un particolare accorgimento si possono realizzare celle solari al silicio con un rendimento più alto che quello teorico raggiungibile con quelle attuali.

La notizia è stata data da Katherine Bourzac sul numero del 10 luglio di C&EN newsletter on-line [1].

Le attuali celle solari in silicio (mostrate in figura) hanno un limite teorico di efficienza del 29%.

Il gruppo di ricerca, guidato dal Prof. Marc A. Baldo, direttore del Research Laboratory of Electronics del MIT, ha riportato che celle solari in silicio a strato singolo possono convertire fino al 35% dell’energia solare in energia utile, un aumento notevole rispetto all’attuale limite [2]. L’accorgimento è consistito nel trovare la giusta combinazione di materiali che consentisse di sfruttare un fenomeno previsto circa 40 anni fa.

Prof. Marc A. Baldo (classe1973)

I semiconduttori come il silicio sono ottimi nel convertire alcune, ma non tutte, le lunghezze d’onda della luce in elettricità. La gamma di lunghezze d’onda che un semiconduttore può utilizzare per trasformarla in energia elettrica dipende da una proprietà elettrica intrinseca del materiale, chiamata bandgap[1]. Quando questi materiali assorbono lunghezze d’onda di luce con energia superiore alla loro specifica gamma, questa extraenergia, si perde sotto forma di calore.

Dice Marc Baldo:

Le celle solari potrebbero funzionare in modo più efficiente e convertire più elettricità se si potesse espandere quella gamma di lunghezze d’onda. Ci sono accorgimenti per farlo, ma nessuno di quelli messi in opera finora ha avuto una buona applicazione pratica ed economica. Un approccio è la cella solare tandem, che accumula più celle composte da diversi semiconduttori che si specializzano nell’assorbire una particolare banda dello spettro solare. Questi sono costosi e hanno cablaggi complessi e inefficienze interne. Il nostro gruppo ha cercato invece di trovare un modo per far funzionare meglio una normale cella solare.

Per fare ciò il gruppo ha riflettuto sui fondamenti di ciò che accade in una cella solare. Quando un fotone colpisce una cella solare al silicio eccita una coppia di cariche, un elettrone e un “buco”. Questa coppia di cariche è una quasiparticella chiamata eccitone. Nel silicio gli eccitoni si separano rapidamente quando gli elettroni si uniscono nel flusso di corrente.

Ma in altri materiali, come il tetracene, un semiconduttore organico a quattro anelli, gli eccitoni danno luogo a un fenomeno più esotico. Attraverso un processo chiamato fissione di eccitone, un eccitone con un particolare spin quantico può dividersi in due eccitoni di energia inferiore con spin diversi. Ciascun eccitone figlia possiede la metà dell’energia del genitore.

Struttura del tetracene

Questa fissione di eccitoni potrebbe aiutare a espandere la gamma di lunghezze d’onda che una cella solare al silicio può utilizzare per convertirla in elettricità, poiché il modo in cui il tetracene divide gli eccitoni è in perfetta corrispondenza con le proprietà semiconduttrici del silicio. Gli eccitoni figlie della molecola organica hanno livelli energetici compatibili con la banda di conduzione del silicio. Quindi il tetracene potrebbe assorbire la luce che il silicio non può convertire, eccitarsi e quindi donare quell’energia al silicio sotto forma di eccitoni figlie. Questa donazione permetterebbe al silicio di convertirla in energia elettrica.

Il tetracene come aiuto per migliorare le prestazioni del silicio fu proposto per la prima volta nel 1979 dal chimico David Dexter [3]. Spiega Baldo: a quel tempo, non era chiaro cosa fare con questo: non esisteva la tecnologia per costruire una cella al silicio progettata per questo processo.

Il laboratorio di Baldo ha cercato la soluzione giusta fino dal 2009. Tetracene e silicio possono funzionare solo insieme a un mediatore; la sfida è stata trovare quello giusto. La superficie del silicio è una foresta di legami che deve essere rivestita con uno strato protettivo. Tale protezione, denominata ‘livello di passivazione’, non può essere eliminata. Ma questi strati protettivi in ​​genere interrompono il flusso di cariche tra silicio e tetracene. Baldo dice che il suo gruppo non ha trovato molte indicazioni dalla teoria, quindi hanno dovuto provare un gran numero di combinazioni di materiali prima che arrivassero a quello giusto.

Dopo anni di lavoro, hanno scoperto che un film di afnio ossinitruro[2] di circa 8 Å di spessore (appena sotto un nanometro) passiva il silicio ma lascia passare le cariche attraverso uno strato di tetracene. Ora, il gruppo di Baldo ha dimostrato che questi tre materiali possono accoppiarsi in una cella solare funzionale. Sulla base dei calcoli, i ricercatori hanno stimato che una cella solare contenente tetracene potrebbe avere un limite di efficienza teorica del 35%.

I risultati dei ricercatori del MIT sono così clamorosi che ho chiesto il parere di due esperti del fotovoltaico: il Prof. emerito Vincenzo Balzani, che fa anche parte della redazione di questo blog, e la Prof. Paola Ceroni, del Dipartimento di Chimica dell’Università di Bologna, che ha recentemente partecipato a una Conferenza internazionale di Fotochimica a Boston. Ecco cosa mi hanno detto.

Balzani. Il tema descritto è di grande interesse scientifico, e ha a che fare con la possibilità che un singoletto eccitato si scinda (in inglese: fission) in due tripletti, ciascuno capace di generare un elettrone quando l’eccitazione giunge a un semiconduttore. Di questo fenomeno e della possibilità di usarlo per aumentare l’efficienza delle celle fotovoltaiche se ne parla da molto tempo. È trattato anche nel nostro libro Photochemistry and Photophysics (Balzani, Ceroni, Juris, p. 449-452), in cui vengono discussi i motivi per cui è difficile utilizzare la singlet fission per aumentare l’efficienza delle celle fotovoltaiche. Anzitutto, il singoletto deve avere energia superiore a quella di due tripletti, cosa che accade solo in certi tipi di molecole organiche. Fra i problemi più ardui da risolvere c’é poi la difficoltà di creare un solido in cui le distanze fra i componenti (composto organico e semiconduttore) permetta ai tripletti “figli” di separarsi e trasferire la loro energia al semiconduttore, prima che avvenga la triplet-triplet annihilation o il loro decadimento.  Il sistema più efficiente fino ad allora (2014) era una cella pentacene/PbSe, con efficienza 4,7% (ricordiamo che i  pannelli commerciali al silicio hanno già un’efficienza del 20% per conto loro).

La novità nel lavoro di cui Chem. Eng. News fa un highlight  sembra proprio sia, come giustamente sottolineato da Rinaldo, nell’aver trovato un materiale (hafnium oxynitride) che  “media” fra tetracene e silicio in modo da permettere ai tripletti  del tetracene  di passare la loro energia al semiconduttore. È vero che questo sistema permetterebbe di raggiungere un’efficienza teorica del 35%, rispetto al 29%, sempre teorico, del silicio. Il fatto però è che il silicio, come già ricordato, ha già un’efficienza reale del 20%, mentre in questo nuovo sistema l’efficienza combinata fra scissione del singoletto del tetracene in due tripletti (teoricamente dovrebbe essere 200%) e efficienza di energy transfer al silicio (teoricamente 100%) è 123% . In altre parole, se il fotone assorbito dal tetracene fosse lasciato al silicio il sistema avrebbe efficienza 20%, facendoli assorbire tutti (impossibile) dal tetracene l’efficienza diventerebbe 24,6%. Salvo il fatto che il tetracene ha una soglia maggiore del silicio, per cui bisognerebbe anche calcolare quanto ci si rimette usando solo i fotoni assorbiti dal tetracene.

Insomma, non mi sembra che le parole con cui concludono il riassunto ( the potential of singlet exciton fission to increase the efficiencies of silicon solar cells and reduce the cost of the energy that they generate) siano appropriate: che ci fosse “potenzialmente” la possibilità di aumentare l’efficienza con la singlet fission già si sapeva, quanto alla possibilità di ridurre i costi complicando i pannelli al silicio, che vanno già così bene, mettendoci dentro un altro materiale, mi sembra un wishful thinking, come succede a tutti noi ricercatori, molto innamorati delle nostre idee e dei risultati, non sempre brillanti, a cui portano.

In conclusione: i pannelli fotovoltaici al silicio vanno più che bene così come sono: efficienza reale (su un massimo teorico 29%) di circa 20%, 100 volte maggiore dell’efficienza del processo di fotosintesi clorofilliana; durata 30  anni; niente manutenzione; niente consumo di suolo utile; basso prezzo, sempre in diminuzione; materiali quasi totalmente riciclabili. I pannelli fotovoltaici al silicio sono già un miracolo! Non credo sarà facile creare qualcosa che sia al tempo stesso più efficiente, più robusto e che costi meno. Anche se, mai dire mai …

Ceroni (via Balzani). Ho ritenuto opportuno sottoporre questo commento alla mia collega Paola Ceroni che è a Boston per un congresso di Fotochimica. Mi ha detto che, guarda caso, il giorno prima aveva parlato al congresso Joseph Michl, un esperto proprio sul tema singlet fission che studia da anni. Michl ha sottolineato che la reale applicazione è lontana nel tempo, anche perché il tetracene si degrada molto velocemente sotto luce. Ha concluso la sua conferenza dicendo che negli ultimi dieci anni sono stati fatti notevoli passi avanti nella comprensione di questo fenomeno di singlet fission, ma che, a suo parere, la speranza che questa tecnica possa essere applicata per aumentare le prestazioni dei pannelli fotovoltaici è salita dal 5% di 10 anni fa al … 6% di oggi!

Bibliografia

[1] K. Bourzac, Supercharging the silicon solar cell, https://cen.acs.org/energy/solar-power/Supercharging-silicon-solar-cell/97/web/2019/07?utm_source=NonMember&utm_medium=Newsletter&utm_campaign=CEN

[2] M. Einzinger et al., Sensitization of silicon by singlet exciton fission in tetracene., Nature, 2019, 571, 90-94.

[3] D.L. Dexter, Two Ideas on Energy Transfer Phenomena: Ion-Pair Effects Involving the OH Stretching Mode, and Sensitization of Photovoltaic Cells., Journal of Luminescence, 1979, 18/19, 779-784.

[1] La bandgap o banda proibita di un semiconduttore è l’intervallo di energia interdetto agli elettroni.

[2] L’ossinitruro di afnio è un composto dell’elemento afnio con azoto e ossigeno di composizione chimica variabile: HfOxNy.

Un pensiero su “Nuovi pannelli solari ad alto rendimento

  1. Oltretutto credo che le caratteristiche di efficienza dei pannelli fotovoltaici siano piuttosto trascurabili rispetto quelle citate dal Prof. Balzani, quali niente manuntenzione, niente consumo di suolo ecc, soprattutto perchè il concetto di efficienza, molto importante quando applicata all’ utilizzo di una fonte di energia finita per convertirla in qualche altra forma (tipo petrolio per ottenere energia meccanica), diventa relativa nel caso si parta da una fonte di energia virtualmente infinita come quella emessa dal nostro astro. In altre parole, per ottenere 10 kWh di energia elettrica avrò solo bisogno di aumentare la superfice di captazione, senza utilizzo di una maggior quantità di combustibile, come avviene ad esempio per un motore a scoppio. Grazie per l’interessante post e saluti a tutti, Roberto Doliana

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