In arrivo dall'America il fotovoltaico 3D dei cristalli fotonici
Tra i più grandi centri di eccellenza al mondo per lo studio e lo sviluppo della tecnologia fotovoltaica, rientra, senz'altro, l'Energy Center della Purdue University, l'università americana (si trova a West Lafayette, nell'Indiana) che prende nome da John Purdue, che nel 1869 donò la terra e il denaro per la sua costituzione. Dopo aver fatto notizia, lo scorso marzo, con il progetto di una cella fotovoltaica derivata da alberi o altri tipi di piante (in quanto basata su un substrato di nanocristalli di cellulosa), un nuovo studio appena pubblicato sulla Advanced Optical Materials porta nuovamente alla ribalta il team di studenti e ricercatori dell'Energy Center.
(Un'immagine del campus della Purdue University, nello stato dell'Indiana)
Anche questa volta, la ricerca dell'Energy Center ha preso spunto dalla natura e, in particolare, dai cosiddetti cristalli fotonici. Cerchiamo, quindi, di capire di cosa si tratta.
Un cristallo fotonico è un cristallo il cui indice di rifrazione è comparabile alla lunghezza d'onda della luce o delle radiazioni elettromagnetiche; il che è strettamente legato con le proprietà di conduzione elettrica dei cristalli. In questo, i cristalli fotonici sono paragonabili ai semiconduttori.
In natura, l'esempio più antico di cristallo fotonico è dato dall'opale, un minerale di silice amorfo dal colore variabile (si va dal trasparente al bianco latte, passando per un'infinità di colori intermedi: verde, rosso, giallo, marrone, nero); è proprio l'effetto fotonico a determinarne i giochi di colore, che variano con il variare dell'angolo di osservazione e delle caratteristiche della roccia. Il principio è lo stesso della coda di un pavone, i cui riflessi verdi, blu e dorati sono dovuti alla presenza di nanostrutture chitinose.
(La coda variopinta di un pavone è un buon esempio di come funzioni, in natura, la diffrazione della luce attiva nei cristalli fotonici)
La realizzazione di cristalli fotonici è estremamente complessa: difetti nella periodicità dei cristalli possono causare perdite di efficienza del sistema. Tra i cristalli fotonici di tipo artificiale, i più semplici sono i cosiddetti specchi di Bragg; la loro struttura è, infatti, composta da due o più materiali con indici di rifrazione diversi e disposti su strati alterni.
Il team della Purdue University si è, però, servito di cristalli fotonici con struttura tridimensionale, più difficili da realizzare con un gap di energia completo per entrambe le polarizzazioni della luce. Attraverso un procedimento noto come "meniscus-driven self-assembly", il team ha ottenuto cristalli sintetici con una struttura a "opale inverso" (un insieme di celle vuote circondate da silice), in sostanza il "negativo" dell'opale.
(Il team dell'Energia Center della Purdue University ha condotto nuovi studi nel settore del fotovoltaico, ricorrendo a cristallo fotonici tridimensionali)
Ora che ne conosciamo i presupposti, possiamo cercare di capire quali implicazioni tutto questo abbia nel settore del fotovoltaico. In sostanza, la struttura dei cristalli fotonici 3D permette alla luce di essere diffratta e di propagarsi lungo un percorso parallelo all'interno del film (mentre, invece, le celle solari a film sottile tendono ad assorbire la luce solo sul lato destro). Questo significa che viene assorbita una maggiore quantità di luce, attingendo anche allo spettro degli infrarossi, la cui frequenza è inferiore a quella della luce visibile e che, per gran parte, le celle in silicio a film sottile non riescono ad assorbire.
Attraverso i cristalli fotonici 3D, si riesce, dunque, ad assorbire un quantitativo di luce solare che, altrimenti, sarebbe normalmente perso.
Per ora, la nuova e avveniristica tecnologia fotovoltaica 3D della Purdue University è in grado di assorbire il 10 % di luce solare in più rispetto alle celle a film sottile; il tutto ricorrendo a quantità minori di materiale sia rispetto ai tradizionali pannelli in silicio monocristallino sia rispetto ai più moderni pannelli policristallini.
