Quando si tratta di fornire energia per l’esplorazione spaziale e gli insediamenti, le celle solari comunemente disponibili fatte di silicio o arseniuro di gallio sono ancora troppo pesanti per essere trasportate in modo fattibile da un razzo. Per affrontare questa sfida, si sta esplorando un’ampia varietà di alternative leggere, comprese le celle solari costituite da un sottile strato di seleniuro di molibdeno, che rientrano nella categoria più ampia delle celle solari al dicalcogenuro di metallo di transizione 2D (2D TMDC). Pubblicato il 6 giugno nel numero inaugurale della rivista Dispositivoi ricercatori propongono un design del dispositivo che può portare l’efficienza dei dispositivi TMDC 2D dal 5%, come è già stato dimostrato, al 12%.
“Penso che le persone si stiano lentamente rendendo conto che i TMDC 2D sono materiali fotovoltaici eccellenti, sebbene non per applicazioni terrestri, ma per applicazioni mobili, più flessibili, come le applicazioni spaziali”, afferma l’autore principale e Dispositivo membro del comitato consultivo Deep Jariwala dell’Università della Pennsylvania. “Il peso delle celle solari 2D TMDC è 100 volte inferiore rispetto alle celle solari al silicio o all’arseniuro di gallio, quindi improvvisamente queste celle diventano una tecnologia molto interessante”.
Sebbene le celle solari 2D TMDC non siano efficienti come le celle solari al silicio, producono più elettricità per peso, una proprietà nota come “potenza specifica”. Questo perché uno strato di soli 3-5 nanometri di spessore – o oltre mille volte più sottile di un capello umano – assorbe una quantità di luce solare paragonabile alle celle solari disponibili in commercio. La loro estrema sottigliezza è ciò che gli fa guadagnare l’etichetta di “2D” – sono considerati “piatti” perché hanno uno spessore di pochi atomi.
“L’elevata potenza specifica è in realtà uno dei maggiori obiettivi di qualsiasi tecnologia di raccolta della luce o di raccolta di energia basata sullo spazio”, afferma Jariwala. “Questo non è importante solo per i satelliti o le stazioni spaziali, ma anche se si desidera una vera energia solare su scala industriale nello spazio”.
“Il numero di celle solari che dovreste spedire è così grande che attualmente nessun veicolo spaziale può trasportare quel tipo di materiali lassù in un modo economicamente sostenibile. Quindi, davvero la soluzione è raddoppiare le celle più leggere, che darti un potere molto più specifico.”
Il pieno potenziale delle celle solari TMDC 2D non è stato ancora pienamente realizzato, quindi Jariwala e il suo team hanno cercato di aumentare ulteriormente l’efficienza delle celle. In genere, le prestazioni di questo tipo di cella solare sono ottimizzate attraverso la fabbricazione di una serie di dispositivi di prova, ma il team di Jariwala ritiene che sia importante farlo attraverso la modellazione computazionale.
Inoltre, il team ritiene che per spingere veramente i limiti dell’efficienza, sia essenziale tenere adeguatamente conto di una delle caratteristiche distintive del dispositivo e difficili da modellare: gli eccitoni.
Gli eccitoni vengono prodotti quando la cella solare assorbe la luce solare e la loro presenza dominante è il motivo per cui una cella solare TMDC 2D ha un assorbimento solare così elevato. L’elettricità è prodotta dalla cella solare quando i componenti caricati positivamente e negativamente di un eccitone vengono convogliati verso elettrodi separati.
Modellando le celle solari in questo modo, il team è stato in grado di ideare un progetto con un’efficienza doppia rispetto a quanto già dimostrato sperimentalmente.
“La parte unica di questo dispositivo è la sua struttura superlattice, che essenzialmente significa che ci sono strati alternati di TMDC 2D separati da uno strato distanziatore o non semiconduttore”, afferma Jariwala. “Distanziare gli strati consente di far rimbalzare la luce molte, molte volte all’interno della struttura cellulare, anche quando la struttura cellulare è estremamente sottile.”
“Non ci aspettavamo che celle così sottili vedessero un valore del 12%. Dato che le attuali efficienze sono inferiori al 5%, la mia speranza è che nei prossimi 4 o 5 anni le persone possano effettivamente dimostrare che le celle sono del 10% e oltre nell’efficienza”.
Jariwala afferma che il prossimo passo è pensare a come ottenere una produzione su larga scala di wafer per il progetto proposto. “In questo momento, stiamo assemblando questi superlattici trasferendo i singoli materiali uno sopra l’altro, come fogli di carta. È come se li stessi strappando da un libro e poi incollandoli insieme come una pila di foglietti adesivi, ” dice Jarivala. “Abbiamo bisogno di un modo per far crescere questi materiali direttamente uno sopra l’altro”.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
