Nuove tecnologie: Silicio Nero

Le celle solari convertono i tre quarti dell’energia contenuta nello spettro solare in energia elettrica, per ora lo spettro infrarosso è completamente perso dalle normali celle solari. Al contrario, le celle solari a silicio nero sono specificamente progettate per assorbire questa parte dello spettro del sole e i ricercatori sono recentemente riusciti a raddoppiare la loro efficienza complessiva.

 

 

Il Sole divampa giù da un cielo azzurro e celle solari poste nei tetti convertono l’energia solare in energia elettrica. Non tutta però, circa un quarto dello spettro della luce solare è costituito da radiazioni infrarosse, che non può essere convertito mediante le normali celle solari, quindi queste radiazioni di calore vanno perse. Un modo per superare questo è usare il silicio nero, un materiale che assorbe quasi tutta la luce solare che lo colpisce, compresa la radiazione infrarossa, e trasformarla in energia elettrica.

 

Ma come è prodotto questo materiale?

 

Il Silicio nero è prodotto irradiando silicio standard con impulsi laser a femtosecondi in un ambiente contenente zolfo“, spiega il Dott. Stefan Kontermann, che dirige il gruppo di ricerca “Nanomateriali per la conversione dell’energia” nell’ambito del “Fraunhofer Project Group for Fiber Optical Sensor Systems” all’Istituto Fraunhofer per le Telecomunicazioni (Heinrich-Hertz Institut, HHI). “Questo divide la superficie e integra atomi di zolfo nel reticolo di silicio, facendo apparire nero il materiale trattato.” Se i produttori dovessero dotare le proprie celle solari con questo silicio nero, potrebbe aumentare l’efficienza delle celle considerevolmente, consentendo loro di utilizzare appieno lo spettro solare.

 

I ricercatori allo HHI sono così riusciti a raddoppiare l’efficienza delle celle solari di silicio nero, in altre parole, hanno creato celle che producono più elettricità dallo spettro infrarosso. “Abbiamo avuto successo modificando la forma dell’impulso laser che usiamo per irradiare il silicio”, dice Kontermann.

Questo ha permesso agli scienziati di risolvere un problema fondamentale del silicio nero:

Nel silicio normale, la luce infrarossa non ha energia sufficiente per eccitare gli elettroni nella banda di conduzione e li converte in energia elettrica, ma lo zolfo incorporato nel silicio nero costituisce una sorta di livello intermedio. È possibile paragonarlo all’azione di scavalcare un muro: La prima volta non ci si riesce perché il muro è troppo alto, ma la seconda volta si supera in due fasi utilizzando un livello intermedio. Tuttavia, in questo livello intermedio lo zolfo non solo consente agli elettroni di scalare il “muro”, funziona anche in senso inverso, cioè permette agli elettroni dalla banda di conduzione di tornare indietro usando questo livello intermedio e questo purtroppo provoca ancora una volta la perdita di energia elettrica. Modificando l’impulso laser che induce gli atomi di zolfo nel reticolo atomico, i ricercatori sono riusciti a cambiare le posizioni che questi atomi adottano nel reticolo modificando in tal modo l’altezza dei loro livelli, in parole povere il loro livello di energia. “Abbiamo usato l’impulso laser per modificare lo zolfo integrato, al fine di massimizzare il numero di elettroni che possono salire, riducendo nel frattempo al minimo il numero che può tornare indietro”, Kontermann riassume.

 

Nella prima fase del progetto, gli scienziati hanno modificato l’impulso laser e studiato come questo modifica le proprietà del silicio nero e l’efficienza delle celle solari realizzate con questo materiale. Adesso stanno lavorando sull’utilizzo di diverse forme d’impulsi laser cercando di analizzare come questo cambi il livello di energia dello zolfo. In futuro, sperano che un sistema di algoritmi identifichi automaticamente come dovrà essere modificato l’impulso laser al fine di raggiungere la massima efficienza. Il progetto “impulsi di luce su misura” è stato uno dei vincitori di quest’anno del concorso “365 posti nella terra delle idee”, la cerimonia di premiazione si terrà a Goslar l’11 ottobre 2012.

 

I ricercatori hanno già realizzato prototipi di celle solari al silicio nero e il loro prossimo passo sarà quello di cercare di unire queste celle con la tecnologia commerciale. “Speriamo di essere in grado di aumentare l’efficienza delle celle solari commerciali (che si trova attualmente a circa 17%) di un punto percentuale, combinandole col silicio nero”, dice Kontermann. Il loro punto di partenza è una cella solare commerciale standard; agli esperti è sufficiente rimuovere il coperchio posteriore e inserire il silicio nero in una parte della cella, creando così una cella solare tandem (doppia) che contiene sia silicio normale sia nero.

I ricercatori stanno anche progettando uno spin-off; questo riguarderà la commercializzazione del sistema laser che produttori di celle solari saranno in grado di acquisire per espandere le loro linee di produzione esistenti. I produttori sarebbero quindi in grado di creare silicio nero da soli e includerlo direttamente nelle celle di serie.

“Pensiamo che questa tecnologia abbia un enorme potenziale e i primi colloqui esplorativi con l’industria fotovoltaica tedesca sono stati molto incoraggianti”, spiega il Prof. Dott. Wolfgang Schade, responsabile del “Fraunhofer Project Group” a Goslar. “Per raggiungere un’ancor più elevata efficienza delle celle solari, nella prossima fase del progetto intendiamo approfondire la nostra comprensione di ciò che può essere realizzato col silicio nero”, termina.

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