Cristalli fotonici 3D per aumentare l'efficienza delle celle solari

L'efficienza di conversione delle celle solari a film sottile potrebbe essere aumentata attraverso l'inserimento dei cosiddetti cristalli fotonici.

Si tratta di una ricerca sperimentale che un team di ricercatori della Purdue University sta portando avanti. I risultati sono già stati pubblicati su riviste scientifiche di settore, come, ad esempio, la Advanced Optical Materials e grazie a questa scoperta il rendimento delle celle, rispetto alle tradizionali, aumenterebbe del 10%.

Peter Bermel, membro del team alla School of Electrical and Computer Engineering and Birck Nanotechnology Center della Purdue University, spiega che "Solitamente, nel film sottile le celle solari in silicio tendono ad assorbire la luce dal lato destro: con il nostro metodo, invece, la luce viene invece diffratta e si propaga in un percorso parallelo all'interno del film. La domanda è: come aumentarne l'assorbimento, combinando bassi costi e alte prestazioni?". La ricerca verte, quindi, sulla riproduzione dei cristalli fotonici naturali in cristalli 3D da inserire all'interno delle celle fotovoltaiche a film sottile.

(Cristalli fotonici applicati a celle solari a film sottile)

Un cristallo fotonico è un materiale applicativo e di studio specialmente nelle branche dell'ottica e della microfotonica, e si tratta, nello specifico, di una particolare struttura cristallina dove l'indice di rifrazione interno (ovvero la grandezza adimensionale usata per quantificare il rallentamento della propagazione di una radiazione elettromagnetica che attraversa un mezzo fisico, in altre parole la diminuzione della velocità della luce all'interno di un materiale) ha un modulo periodico molto simile alla lunghezza della luce. I cristalli fotonici hanno proprietà ottiche molto simili alle capacità di conduzione elettrica e dei cristalli e possono anche presentare la stessa banda proibita dei semiconduttori.

In natura esempi di cristalli fotonici possono essere l'opale, gli "occhi" della coda dei pavoni e delle ali delle farfalle. In particolare, l'opale e la sua composizione chimica ha ispirato i ricercatori della Purdue University per quanto riguarda creazione dei cristalli 3D.

(Opale e opalescenza)

L'opale è un minerale amorfo presente in natura e ha un colore variabile dal trasparente al bianco, con un'infinità di tinte e variazioni intermedie. Il suo contenuto di acqua arriva fino al 20% e la sua formazione avviene dal lento deposito geologico di un gel colloidale di silice. Questo lento processo e l'alta percentuale di acqua all'interno della struttura, conferiscono all'opale la caratteristica dell'opalescenza, ovvero quella tipica trasparenza nebulosa dovuta alla presenza contemporanea di due indici di rifrazione diversi.

I vari colori che si vengono a creare, così come per farfalle e pavoni, non sono dovuti a pigmenti ma a fenomeni di rifrazioni o assorbimento della luce da parte della struttura reticolare delle loro superfici. Quindi, più i cristalli fotonici hanno una struttura regolare un indice di rifrazione alto, maggiore sarà la loro capacità di rifrangere le radiazioni elettromagnetiche luminose, ovvero i raggi del sole.

("Occhi" della coda dei pavoni)

("Occhi" delle ali delle farfalle)

I ricercatori stanno cercando si creare questi particolari cristalli in via artificiale, tramite un procedimento chimico chiamato "sintesi dell'opale inverso". Si tratta di ricreare innanzitutto un opale artificiale in laboratorio, caratterizzato da una struttura regolare a sferette di silicio e, dopo l'inserimento di particolari soluzioni, l'opale si trasforma in opale inverso, ovvero le stesse sferette perdono la parte organica e diventano cave.

(Sintesi dell'opale inverso_Schema e viste al microscopio)

Una struttura del genere permette di assorbire molta più radiazione rispetto alle tradizionali conformazioni. Applicata a celle fotovoltaiche a film sottile, queste sarebbero in grado anche di assorbire la radiazione ultravioletta, al contrario delle classiche celle in silicio. Si tratta del punto cruciale di tutta la sperimentazione, come Peter Bermel dichiara: "La luce contenuta nell'infrarosso è molto importante perché contiene un quantitativo di energia solare che solitamente va perso: se il silicio fosse in grado di assorbirla, potrebbe convertirla completamente, aumentando notevolmente l'efficienza della cella".