Celle solari al grafene per aumentare le capacità conduttive

Un tema di ricerca del dipartimento di scienza e tecnica dei materiali innovativi alla Michigan Technological University sta approfondendo le caratteristiche di un nuovo materiale con il quale costruire nuove celle solari più efficienti. Si tratta del grafene che sarebbe in grado di aumentare la conducibilità di ogni singolo pannello del 52% rispetto all'attuale.

La ricerca è stata presentata nell'articolo accademico "Promoting Effect of Graphene on Dye-Sensitized Solar Cells".

Il grafene è un materiale caratterizzato in primo luogo dalla sua durezza, paragonabile al diamante ed è composto da uno strato monoatomico di atomi di carbonio, il che significa che ha uno spessore uguale a quello di un unico atomo.

Il grafene viene ottenuto tramite sintesi chimica in laboratorio da un materiale primario naturale, la grafite, ovvero un minerale che rappresenta uno degli stati allotropici del carbonio. La conformazione del grafene è tipicamente formata da celle esagonali, come suggerisce anche la desinenza del suo nome, e, in presenza di imperfezioni, le celle possono avere altre forme, come a pentagono o ettagono.

Il grafene presenta delle ottime qualità di semiconduzione e nel 2012 è stato integrato in transistor dalla IBM.

(Struttura interna di una molecola di grafene)

L'utilizzo nel grafene nell'ambito delle tecnologie fotovoltaiche va considerato strettamente con i moduli al silicio e a film sottile. Quando un modulo solare a film sottile è trattato con colorante al biossido di titanio, questo ha la caratteristica di essere il semiconduttore del sistema che attiva l'effetto fotovoltaico. Le ricerche hanno dimostrato che con l'aggiunta del grafene al biossido, la capacità conduttiva aumenta, alzandosi fino al 52.4%.

Yun Hang Hu, professore e leader del gruppo di ricerca, spiega: "L'eccellente conduttività elettrica di fogli di grafene permette loro di agire come ponti, accelerando il trasferimento di elettroni dal biossido di titanio al fotoelettrodo".

La tecnica per la produzione di questo particolare composto è stata messa a punto dal team e, in linea di massima, non sembra eccessivamente difficile da comprendere ma soprattutto da attuare. Si tratta di creare fogli in biossido di titanio integrati con grafene. La prima operazione consiste nel ridurre la grafite in polvere di ossido che va mescolata con il biossido di titanio fino a formare una pasta omogenea. Infine, la pasta deve essere stesa su di un substrato, che può essere anche del semplice vetro, e cotta in forno ad alte temperature.

Sempre dalle dichiarazioni di Yun Hang Hu: "È a basso costo e molto facile da preparare. Se si usa troppo grafene, assorbirà la luce nella cella solare e ridurre la sua efficienza". Infatti, il rischio è proprio questo, ovvero la necessità del gruppo di ricerca è proprio quella di trovare le giuste proporzioni fra i due materiali, di modo che anche le proprietà finali siano equilibrate.

La ricerca è stata portata avanti parallelamente anche da un altro gruppo al Helmholtz-Zentrum Berlin Institute for Silicon Photovoltaics. In questo caso, i ricercatori hanno notato per prima cosa le caratteristiche intrinseche del grafene, ovvero la durezza e la trasparenza.

Dopo alcuni test di laboratorio, il risultato è stato che l'utilizzo del grafene in un pannello fotovoltaico potrebbe renderlo praticamente perfetto dal punto di vista della conversione luminose e, di conseguenza, dell'efficienza energetica.

In questo caso i ricercatori hanno riprodotto in laboratorio un modulo fotovoltaico a film sottile a base di grafene ma con un substrato in rame. Da qui due versioni differenti che hanno visto questo film applicato alla tradizionale tecnologia al silicio, una prima con struttura amorfa e una seconda con uno strato di silicio policristallino. Il risultato è stato che il grafene manteneva inalterate le sue proprietà, nonostante i moduli così composti fossero totalmente diversi.

Norbert Nickel, uno dei ricercatori, spiega: "Il risultato è qualcosa che non ci aspettavamo di trovare, che dimostra che il grafene resta grafene anche se è rivestita con silicio. Le misurazioni di mobilità vettoriale mostrano che la mobilità dei portatori di carica all'interno dello strato di grafene incorporato è circa 30 volte maggiore di quella dei convenzionali strati a base di ossido di zinco".