Un nuovo materiale quantistico per efficienza fotovoltaica da record

I fisici della Lehigh University hanno sviluppato un materiale quantistico, il CuxGeSe/SnS, sottile come un atomo. Si propone come candidato principale di una nuova classe di materiali volti a migliorare significativamente l’efficienza dei pannelli solari.

Questo sviluppo è promettente per il progresso della tecnologia solare e per soddisfare la crescente domanda globale di energia pulita.

Un prototipo sperimentale che impiega questo materiale nello strato attivo di una cella solare ha mostrato un tasso medio di assorbimento fotovoltaico dell’80%, un alto tasso di generazione di portatori fotoeccitati e un’efficienza quantistica esterna (EQE). Questa ha raggiunto un valore senza precedenti del 190%. Una misura che supera di gran lunga il limite teorico di efficienza Shockley-Queisser per i materiali a base di silicio e che spinge il campo dei materiali quantistici per il fotovoltaico verso nuove frontiere.

“Questo lavoro rappresenta un progresso significativo nelle soluzioni energetiche sostenibili, mostrando approcci innovativi che potrebbero rivoluzionare l’efficienza e l’accessibilità dell’energia solare nel prossimo futuro”. Ha dichiarato Chinedu Ekuma, professore di fisica.

Ekuma, insieme al dottorando Srihari Kastuar, ha pubblicato la sua ricerca sulla rivista Science Advances.

Da quando è stata pubblicata, questa potenziale svolta ha ricevuto una copertura molto positiva da parte delle testate giornalistiche di tutto il mondo che si occupano di scienza. (Novel Material Capable of 190% Quantum Efficiency Could Revolutionize Solar Power Systems – The Debrief . Solar panel breakthrough promises record efficiency with new quantum material | The Independent).

Recentemente Ekuma ha anche presentato i risultati a un incontro di scienziati convocato dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, dove la ricerca è stata accolta con un grande interesse.

Un salto quantico nell’efficienza solare

La notevole efficienza del materiale è in gran parte dovuta ai suoi particolari “stati di banda intermedi”. Ovvero livelli energetici specifici all’interno della struttura elettronica del materiale che convertono in modo ottimale l’energia solare. Questi stati sono caratterizzati da livelli di energia posizionati all’interno di intervalli di sottobanda – che vanno da circa 0,78 a 1,26 elettronvolt – ideali per un efficiente assorbimento della luce solare e per la produzione di vettori di carica. Inoltre, il materiale si comporta particolarmente bene con alti livelli di assorbimento nelle regioni dell’infrarosso e del visibile dello spettro elettromagnetico.

In genere, le celle solari tradizionali raggiungono un EQE massimo del 100%, correlato alla generazione e alla raccolta di un elettrone per ogni fotone assorbito. Tuttavia, il materiale sviluppato da Lehigh utilizza stati di banda intermedi per catturare l’energia dei fotoni tipicamente dispersa nelle celle convenzionali. Compresa l’energia persa per riflessione e produzione di calore.

“Il nostro materiale ingegnerizzato eccelle rispetto ad altri semiconduttori a banda intermedia. Ospita stati IB senza alterazioni significative della struttura cristallina o l’introduzione di eventuali difetti”. Ha spiegato Kastuar. “Gli atomi di rame intercalati inducono effetti che di solito si ottengono con il drogaggio pesante”.

Il nuovo materiale è stato sviluppato utilizzando le “lacune di van der Waals”, minuscoli spazi tra materiali bidimensionali stratificati che possono ospitare atomi, molecole o ioni. Intercalando atomi di rame zerovalenti tra strati di seleniuro di germanio (GeSe) e solfuro di stagno (SnS), i ricercatori hanno messo a punto le proprietà del materiale per migliorarne le prestazioni fotovoltaiche.

Ma è una soluzione davvero praticabile?

Ekuma, esperto di fisica computazionale della materia condensata, ha sviluppato il prototipo simulato come prova di funzionamento dopo che un’ampia modellazione al computer del sistema aveva dimostrato la promessa teorica.

Anche se l’integrazione del materiale quantistico di nuova concezione negli attuali sistemi di energia solare richiederà ulteriori ricerche e sviluppi, Ekuma ha sottolineato che la tecnica sperimentale utilizzata per creare questi materiali è già molto avanzata.

Nel corso del tempo, gli scienziati hanno imparato un metodo che inserisce con precisione atomi, ioni e molecole nei materiali. Poco dopo la pubblicazione iniziale di Ekuma, sono stati riportati risultati incoraggianti da un campione fabbricato del materiale.

Un team di esperti, tra cui scienziati del Worcester Polytechnic Institute e della University of California-Davis, ha fabbricato un campione del materiale e ha condotto una serie di analisi avanzate per caratterizzarne le proprietà.

I risultati, pubblicati sulla rivista Applied Materials and Interfaces, hanno concluso che l’intercalazione di rame zero-valente in strati di GeS è effettivamente una strategia promettente. Offre “effetti importanti” per il miglioramento del funzionamento dei dispositivi fotoelettrici e dei sistemi di conversione dell’energia solare.

“La sua risposta rapida e la sua maggiore efficienza indicano fortemente il potenziale del GeSe/SnS intercalato con Cu come materiale quantistico da utilizzare in applicazioni fotovoltaiche avanzate. Una via importante per migliorare l’efficienza nella conversione dell’energia solare”. Ha dichiarato Ekuma.

Oltre a migliorare le prestazioni nelle applicazioni solari, il materiale offre ulteriori vantaggi in termini di sostenibilità ambientale. Il rame e il germanio sono materiali consolidati e meno tossici dei materiali a base di piombo utilizzati in alcuni pannelli solari. Inoltre, il GeSe è una risorsa accessibile, sei volte più abbondante dell’antimonio (Sb), un elemento attualmente utilizzato in molte celle solari a film sottile.

Fonte articolo Lehigh Physicists Pioneer Quantum Material for Solar Efficiency Breakthrough | Lehigh University

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