Il professor Hanington parla di scienza: efficienza record del 19,3% con una cella solare in plastica

Mentre le nostre fonti energetiche si allontanano dai combustibili fossili verso fonti più rispettose dell’ambiente, la ricerca di celle solari a basso costo in grado di alimentare una casa o ricaricare un veicolo elettrico (o collocare l’elettricità in qualche tipo di rete dove è possibile successivamente recuperarla finanziariamente) it) procede con crescente fervore.

Proprio questa settimana è stato annunciato un grande salto in termini di efficienza energetica per le celle solari di tipo organico. Come pubblicato su Nature Communications, un team guidato dal professor Li Gang dell'Università Politecnica di Hong Kong ha annunciato un metodo per fabbricare una cella solare polimerica con un'efficienza energetica di quasi il 20%. Questo si avvicina alla migliore cella solare al silicio esistente fino ad oggi, quella sviluppata da Kaneka Corporation, che ha un’efficienza di conversione registrata del 26,7%. Quello, composto da una speciale matrice a cristallo singolo, è molto costoso da fabbricare rispetto al tipo polimerico che può essere facilmente fabbricato mediante racla su un substrato adatto. Era il 2016 e detiene ancora il record.

Per capire come il team di Hong Kong sia riuscito a realizzare un’impresa del genere, dobbiamo fare un po’ di marcia indietro e ripassare rapidamente i concetti coinvolti nella trasformazione della luce solare in energia. Sebbene la prima dimostrazione dell’effetto fotovoltaico, ad opera di Edmond Becquerel nel 1839, usasse una cella elettrochimica, probabilmente il tipo con cui abbiamo più familiarità è una cella al silicio, lo standard utilizzato per luci da giardino ricaricabili e calcolatrici. Sono tutti dispositivi in ​​silicio perché la tecnologia di questo elemento è ben nota, avendo più di settant'anni.

La cella solare in silicio è composta da due strati interni, uno chiamato di tipo P e l'altro di tipo N. Il silicio di tipo P viene prodotto aggiungendo atomi – come boro o gallio – che hanno un elettrone in meno nel loro livello energetico esterno rispetto al silicio. Poiché il boro ha un elettrone in meno di quello necessario per formare i legami con gli atomi di silicio circostanti, viene creato un posto vacante di elettroni o "buco".

Il silicio di tipo n è prodotto includendo atomi che hanno un elettrone in più nel loro livello esterno rispetto al silicio, come il fosforo. Il fosforo ha cinque elettroni nel suo livello energetico esterno, non quattro. Sebbene il silicio abbia quattro elettroni, si lega facilmente al boro o al fosforo nella struttura cristallina. Ma poiché il fosforo ha quell’elettrone in più, il cristallo è leggermente caricato negativamente perché quell’elettrone non è coinvolto nel legame ed è invece libero di muoversi all’interno della struttura del silicio. Diventa un portatore di carica. Allo stesso modo nella regione drogata con boro. Il "buco" formato lì - in realtà un legame mancante - può agire anche come portatore di carica perché il legame mancante può muoversi e agire come un'entità positiva. Quando una regione N viene posta accanto a una regione P, alcuni di questi elettroni e lacune in più si ritrovano e si forma una regione impoverita, priva di queste cariche mobili.

Ma ecco la parte interessante di questa zona di esaurimento della terra di nessuno: poiché gli atomi di boro e fosforo rimangono al loro posto, il lato di tipo N della zona di esaurimento ora contiene ioni caricati positivamente (dagli atomi di fosforo) e il lato P ora contiene ioni caricati negativamente (provenienti dagli atomi di boro) e questo crea un campo elettrico interno che impedisce l'ulteriore mescolamento degli elettroni e delle lacune. Ma quando la luce solare colpisce la giunzione PN, gli elettroni nel silicio vengono espulsi, formando dei “buchi”. Quando ciò accade nel campo elettrico della regione di svuotamento, il campo sposterà gli elettroni nello strato di tipo n e le lacune nello strato di tipo p.

Se colleghi le regioni esterne degli strati di tipo n e di tipo p con un filo metallico, gli elettroni viaggeranno, creando un flusso di elettricità. Una tipica cella di cristallo di silicio crea circa 0,6 volt in pieno sole e può fornire 1 ampere di corrente per una cella dell'area di un tipico cellulare. Per ottenere una tensione maggiore è sufficiente posizionare molte celle in serie. Il costo medio per watt per una cella solare monocristallina è di circa 1 dollaro.

Quando guardi in basso verso la parte superiore grigia della cella solare puoi vedere fino alla giunzione PN dove si svolgono tutte le azioni di cui sopra.