Pannelli solari ultrasottili e leggeri grazie a nuovi materiali fotovoltaici

Nuovi materiali fotovoltaici ultrasottili potrebbero eventualmente essere utilizzati in applicazioni mobili, da dispositivi indossabili e sensori autoalimentati a velivoli leggeri e veicoli elettrici.

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a cura di Alessandro Crea

È in corso una gara nell'ingegneria solare per creare pannelli solari flessibili e incredibilmente sottili. Gli ingegneri li immaginano utilizzati in applicazioni mobili, da dispositivi indossabili e sensori autoalimentati a velivoli leggeri e veicoli elettrici. In questo contesto, i ricercatori della Stanford University hanno raggiunto efficienze record in un promettente gruppo di materiali fotovoltaici.

Il principale tra i vantaggi di questi dicalcogenuri dei metalli di transizione – o TMD – è che assorbono livelli ultra elevati della luce solare che colpisce la loro superficie rispetto ad altri materiali solari. "Immagina un drone autonomo che si alimenta con un array solare in cima alla sua ala che è 15 volte più sottile di un pezzo di carta", ha detto Koosha Nassiri Nazif, dottorando in ingegneria elettrica a Stanford e co-autore principale di uno studio pubblicato nell'edizione del 9 dicembre di Nature Communications. "Questa è la promessa dei TMD."

La ricerca di nuovi materiali è necessaria perché il re regnante dei materiali solari, il silicio, è troppo pesante, ingombrante e rigido per applicazioni in cui flessibilità, leggerezza e alta potenza sono preminenti, come dispositivi indossabili e sensori o veicoli aerospaziali ed elettrici. I TMD invece sono molto promettenti, ma gli esperimenti di ricerca fino ad oggi hanno faticato a trasformare più del 2% della luce solare che assorbono in elettricità. Per i pannelli solari al silicio, quel numero si sta avvicinando al 30%. Per essere ampiamente utilizzati, i TMD dovranno colmare questa lacuna.

Il nuovo prototipo di Stanford raggiunge un'efficienza di conversione di potenza del 5,1%, ma gli autori prevedono che potrebbero praticamente raggiungere il 27% di efficienza grazie alle ottimizzazioni ottiche ed elettriche. Questa cifra sarebbe alla pari con i migliori pannelli solari oggi sul mercato, silicio incluso.

Inoltre, il prototipo ha realizzato un rapporto potenza-peso 100 volte maggiore di qualsiasi TMD ancora sviluppato. Questo rapporto è importante per le applicazioni mobili, come droni, veicoli elettrici e la capacità di caricare attrezzature di spedizione in movimento. Osservando la potenza specifica – una misura della potenza elettrica per unità di peso della cella solare – il prototipo ha prodotto 4,4 watt per grammo, una cifra competitiva con altre celle solari a film sottile attuali, compresi altri prototipi sperimentali.

Il loro più grande vantaggio, tuttavia, è la loro notevole sottigliezza, che non solo riduce al minimo l'utilizzo e il costo del materiale, ma rende anche le celle solari TMD leggere e flessibili e in grado di essere modellate su forme irregolari: il tetto di un'auto, l'ala di un aeroplano o il corpo umano. Il team di Stanford è stato in grado di produrre un array attivo che ha uno spessore di poche centinaia di nanometri. L'array include il diselenuro di tungsteno TMD fotovoltaico e contatti d'oro attraversati da uno strato di grafene conduttore che ha uno spessore di un solo atomo. Tutto ciò è inserito tra un polimero flessibile simile alla pelle e un rivestimento antiriflesso che migliora l'assorbimento della luce.

Quando sono completamente assemblate, le celle TMD hanno uno spessore inferiore a sei micron, circa quello di un sacchetto della spazzatura da ufficio leggero. Ci vorrebbero 15 strati per raggiungere lo spessore di un singolo pezzo di carta.

Mentre la sottigliezza, la leggerezza e la flessibilità sono tutti obiettivi altamente desiderabili in sé e per sé, i TMD presentano anche altri vantaggi ingegneristici. Sono stabili e affidabili a lungo termine. E a differenza di altri sfidanti alla corona a film sottile, i TMD non contengono sostanze chimiche tossiche. Sono anche biocompatibili, quindi potrebbero essere utilizzati in applicazioni indossabili che richiedono il contatto diretto con la pelle o i tessuti umani.