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Celle solari organiche ultra-efficienti con tecnologia a 4 terminali
I ricercatori dell’ICFO, Istituto di Scienza Fotonica di Barcellona, hanno creato una nuova cella solare organica a quattro terminali con configurazione tandem, che ha raggiunto un’efficienza del 16,94%. Questa nuova cella solare è composta da una parte frontale molto trasparente con un elettrodo ultrasottile di argento spesso solo 7 nanometri, che garantisce un funzionamento ottimale.
Le celle solari organiche tandem a due terminali sono all’avanguardia perché risolvono problemi comuni nelle celle solari tradizionali, come la perdita di energia e la termalizzazione. Queste celle hanno due strati (uno anteriore e uno posteriore) con diverse capacità di assorbimento della luce solare, permettendo un utilizzo più efficace dello spettro solare.
Tuttavia, queste celle richiedono un bilanciamento accurato della corrente tra i due strati per funzionare al meglio e sono difficili da fabbricare perché necessitano di connessioni stabili che facilitino la ricombinazione delle cariche e mantengano un’elevata trasparenza.
La Configurazione Tandem a Quattro Terminali
La configurazione tandem a quattro terminali è un’alternativa efficiente. In questa configurazione, le connessioni elettriche della parte frontale trasparente e della parte posteriore opaca sono separate, eliminando i problemi di corrispondenza della corrente. Questo approccio permette di scegliere meglio i materiali per ciascun strato, ottimizzando l’assorbimento della luce solare e migliorando l’efficienza energetica complessiva.
In un nuovo studio pubblicato sul Journal Solar RRL, i ricercatori dell’ICFO Francisco Bernal-Texca e il Prof. Jordi Martorell hanno descritto come hanno fabbricato una cella solare organica tandem a quattro terminali con un’efficienza del 16,94%. La chiave di questo successo è stata la creazione di un elettrodo ultrasottile di argento, che ha migliorato notevolmente le prestazioni della cella.
Per costruire il nuovo dispositivo, i ricercatori hanno testato vari materiali per la parte attiva della cella anteriore, scegliendo infine una miscela chiamata PM6. Per la cella posteriore, hanno utilizzato la miscela PTB7-Th, ideale per assorbire la parte infrarossa dello spettro solare. Dopo aver scelto i materiali, hanno progettato la struttura finale della cella utilizzando tecniche numeriche per ottimizzare le prestazioni.
L’Importanza dell’Elettrodo di Argento Ultrasottile
La fabbricazione di un elettrodo di argento ultrasottile, spesso solo 7 nm, è stata cruciale per il successo della cella. Questo elettrodo, posizionato dietro la cella anteriore, permette una buona trasmissione della luce verso la cella posteriore, migliorando l’efficienza complessiva. Gli elettrodi di argento tradizionali sono più spessi (tra 9 e 15 nm), quindi questo risultato rappresenta un significativo progresso tecnologico.
L’elettrodo è stato impilato con tre strati di materiali dielettrici che alternano triossido di tungsteno (WO3) e fluoruro di litio (LiF), migliorando la distribuzione della luce tra le celle. Questa struttura è altamente trasparente nella gamma di 750-1000 nm e riflette molto nella gamma di 500-700 nm, ottimizzando l’efficienza.
Secondo Francisco Bernal, primo autore dello studio, l’elettrodo ultrasottile di 7 nm rappresenta un importante avanzamento per le celle solari trasparenti, mantenendo un’elevata trasparenza e conducibilità elettrica.
I ricercatori hanno testato la cella con un simulatore solare e hanno misurato l’efficienza quantica, ottenendo un’efficienza di conversione di potenza del 16,94%, la più alta mai raggiunta per una cella organica tandem a quattro terminali. Questo supera il record ufficiale del 14,2% per dispositivi simili e il precedente 6,5% per celle a quattro terminali.
Applicazioni Future
Il Prof. Jordi Martorell ha spiegato che questa ricerca ha un grande potenziale per applicazioni come le celle fotoelettrochimiche, che richiedono tensioni specifiche per reazioni come la scissione dell’acqua o la riduzione della CO2. L’approccio tandem a quattro terminali potrebbe essere utilizzato per progettare nuovi sistemi dove una corretta distribuzione della luce è essenziale.
Attualmente, i ricercatori stanno lavorando per ottimizzare la metodologia e la progettazione delle celle tandem per applicazioni come i combustibili solari. L’obiettivo è sfruttare al massimo l’energia solare per processi di conversione energetica sostenibili.
Jordi Martorell e Francisco Bernal-Texca sono parte del progetto SOREC2, finanziato dall’UE, che mira a trasformare la luce solare e la CO2 in sostanze chimiche di valore, consentendo un immagazzinamento sicuro ed efficiente dell’energia.
Fonte articolo: New four-terminal tandem organic solar cell achieves 16,94% power conversion efficiency – SOREC2 Project
