Nuovo materiale basato sulla ricerca quantistica migliora l’efficienza dei pannelli solari dell’80%

I ricercatori della Lehigh University hanno sviluppato un materiale con il potenziale di aumentare drasticamente l’efficienza dei pannelli solari.

Il team di ricerca ha presentato un prototipo che utilizza un materiale quantistico come strato attivo in una cella solare. Questo materiale ha mostrato un assorbimento fotovoltaico dell’80% e un’efficienza quantica esterna fino al 190%. Questa sarebbe una magnifica rivoluazione per il settore delle energie alternativa, anche se il processo di industrializzazione potrebbe essere particolarmente lungo.

Questa ricerca è stata finanziata dal Dipartimento dell’Enegia USA e i risultati sono stati pubblicati su Science Advances

Questa impresa è notevole perché supera il limite teorico fissato dall’efficienza Shockley-Queisser per le celle solari tradizionali basate sul silicio. In confronto, le celle solari convenzionali hanno un’EQE massima del 100%.

“Questo lavoro rappresenta un significativo balzo in avanti nella comprensione e nello sviluppo di soluzioni energetiche sostenibili. Evidenzia approcci innovativi che potrebbero ridefinire l’efficienza e l’accessibilità dell’energia solare nel prossimo futuro”, ha dichiarato Chinedu Ekuma, professore di fisica presso la Lehigh University e autore della ricerca.

Il notevole miglioramento dell’efficienza del materiale si riduce a una caratteristica unica chiamata “stati di banda intermedi”. Questi stati di banda intermedi si riferiscono a livelli di energia specifici all’interno della struttura elettronica del materiale, posizionati in modo da essere ideali per convertire la luce in energia.

In questo nuovo materiale, gli stati di banda intermedi consentono di catturare l’energia dei fotoni persa dalle celle solari tradizionali. Nonostante cifre di EQE fino al 100%, le celle tradizionali perdono energia fotonica attraverso la riflessione e il calore.

Il team ha sfruttato le “lacune di van der Waals”, spazi atomicamente piccoli tra materiali bidimensionali stratificati. Hanno inserito atomi di rame zerovalente tra strati di un materiale bidimensionale composto da seleniuro di germanio e solfuro di stagno. Questo ha incredibilmente aumentato l’efficienza della cella.

Consideriamo due fogli sottili (bidimensionali) di materiale con minuscole lacune chiamate lacune di van der Waals. Per renderli più efficienti, i ricercatori hanno inserito atomi di rame zerovalente in queste lacune, aumentando l’efficienza della cella.

Schema della cella solare a film sottile con Cu-GeSe/SnS come strato attivo. (Fonte: Ekuma Lab/ Lehigh University)

Realizzato un prototipo avanzato

Dopo un’approfondita modellazione al computer del sistema, Ekuma ha sviluppato il prototipo funzionante

“La sua risposta rapida e l’efficienza migliorata indicano fortemente il potenziale del GeSe/SnS intercalato con Cu come materiale quantico da utilizzare nelle applicazioni fotovoltaiche avanzate, offrendo una via per migliorare l’efficienza nella conversione dell’energia solare”, ha detto. Secondo Ekuma, si tratta di un candidato promettente per sviluppare celle solari di prossima generazione e ad alta efficienza.

L’integrazione di questo nuovo materiale nei sistemi di energia solare esistenti richiederà ulteriori sforzi di ricerca e sviluppo. Tuttavia, Ekuma ha sottolineato che la tecnica sperimentale utilizzata per creare questi materiali è già molto avanzata. Nel tempo, gli scienziati hanno perfezionato un metodo che inserisce atomi, ioni e molecole nei materiali con precisione.

Secondo l’Agenzia Internazionale dell’Energia, nel 2023, il solare fotovoltaico da solo rappresenterà i tre quarti delle aggiunte di capacità rinnovabile a livello mondiale. Nel 2022, la generazione del solare fotovoltaico è aumentata del 26%, raggiungendo quasi 1.300 TWh. Questo ha mostrato la più grande crescita di generazione assoluta di tutte le tecnologie rinnovabili nel 2022, superando l’eolico per la prima volta nella storia.