Celle fotovoltaiche: nuovi materiali le renderanno più efficienti

Le celle fotovoltaiche potranno diventare più potenti grazie all’impiego di speciali cristalli ferroelettrici, combinati tra loro. La nuova tecnologia è stata resa nota da poco, grazie ai ricercatori della Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU). In futuro, le nuove scoperte potranno fornirci delle celle fotovoltaiche molto più efficienti rispetto a quelle attuali.

Un nuovo materiale per i pannelli fotovoltaici

La ricerca della Martin Luther University, pubblicata sulla rivista Science Advances, ha messo a punto una nuova combinazione di materiali per celle fotovoltaiche. Si tratta di strati molto sottili di materiali diversi, tutti a base di titanio. Si tratta, in particolare, di titanato di bario, titanato di stronzio e titanato di calcio. La combinazione e la sovrapposizione di questi strati, alternati tra loro, permette di aumentare notevolmente l’efficienza delle celle fotovoltaiche. Sottoposta a prove sperimentali, la combinazione di questi materiali ha dimostrato un comportamento inatteso. Il flusso di corrente che si produce, infatti, è circa mille volte superiore rispetto al titanato di bario puro con lo stesso spessore.

Materiali per celle fotovoltaiche

Il fenomeno su cui si basano tutte le celle fotovoltaiche è l’ effetto fotoelettrico. Si tratta della capacità di alcuni materiali semiconduttori di generare energia elettrica quando sono colpiti dalla radiazione solare. I materiali che tradizionalmente si utilizzano per l’applicazione fotovoltaica sono il silicio e il germanio. I ricercatori sono da diverso tempo impegnati nello studio di materiali alternativi, per cercare di aumentare l’efficienza del processo di conversione da energia solare a energia elettrica. Tra i materiali selezionati c’è il titanato di bario, ovvero un ossido misto di titanio e bario. Questo materiale possiede proprietà ferroelettriche, ovvero presenta una polarizzazione anche in assenza di campo elettrico.

Perché si possono creare celle più efficienti?

Il titanato di bario, per la presenza di cariche positive e negative, presenta una struttura asimmetrica. Ciò favorisce il processo di generazione di energia elettrica a partire dalla luce solare. Un materiale con cristalli ferroelettrici, a differenza del tradizionale silicio, non ha bisogno di una giunzione p-n per generare elettricità. Di conseguenza, la progettazione di celle fotovoltaiche diventa più semplice. Il titanato di bario utilizzato puro, però, non ha un’alta efficienza di assorbimento della radiazione solare. Per questo, la combinazione con altri materiali cristallini, che sono il titanato di stronzio e quello di calcio, permette di aumentare l’efficienza di conversione.

La struttura a strati delle nuove celle fotovoltaiche

I ricercatori della Martin Luther University hanno identificato la configurazione più opportuna per le celle fotovoltaiche del futuro. Occorre alternare un materiale ferroelettrico con uno paraelettrico. Questa seconda tipologia si differenzia dalla prima perché la polarizzazione si verifica solo in presenza di un campo elettrico. Sopra il substrato della cella quindi vengono posizionati strati alternati di titanato di stronzio, di bario e infine di calcio. I singoli strati interagiscono tra loro in modo da massimizzare la capacità degli elettroni di condurre corrente. Gli elettroni quindi possono muoversi più facilmente quando sono colpiti dalla luce solare. La sperimentazione è durata sei mesi, durante i quali le celle fotovoltaiche hanno mantenuto le stesse buone prestazioni.

I risultati ottenuti

I cristalli dei materiali di base sono stati sottoposti a un fascio laser ad alta potenza e depositati su un substrato. Il materiale complessivo risulta di uno spessore pari a 200 nanometri e composto da 500 strati. Durante il test per l’applicazione fotovoltaica, un laser leggero ha colpito il materiale, dimostrando un effetto fotoelettrico molto intenso. L’interazione tra gli strati di materiale diverso aumenta la permittività, causando un aumento del flusso elettronico rispetto al titanato di bario puro.

Sviluppi futuri

Al momento i ricercatori hanno specificato che serviranno ulteriori ricerche per approfondire i meccanismi alla base dell’effetto fotoelettrico di questa combinazione di materiali. Lo sviluppo futuro permetterà di disporre di un metodo efficace per il funzionamento dei pannelli fotovoltaici. Oltre alla straordinaria efficienza, i materiali utilizzati sono particolarmente resistenti nel tempo. Se quindi la ricerca ci permetterà di comprendere meglio i fenomeni e avere più risposte, il mondo fotovoltaico potrà contare su una vera e propria trasformazione.