Fisici sviluppano un nuovo design di cella solare per una maggiore efficienza.

20 febbraio 2024

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da Università di Paderborn

I fisici dell'Università di Paderborn hanno utilizzato complesse simulazioni al computer per sviluppare un nuovo design per celle solari significativamente più efficienti rispetto a quelle disponibili in precedenza. Uno strato sottile di materiale organico, noto come tetracene, è responsabile dell'aumento di efficienza. I risultati sono stati pubblicati su Physical Review Letters.

'L'energia annua della radiazione solare sulla Terra ammonta a oltre un trilione di chilowattora e supera quindi la domanda di energia globale di oltre 5000 volte. La fotovoltaica, ossia la generazione di elettricità dalla luce solare, offre quindi un'enorme potenziale ancora in gran parte inesplorato per la fornitura di energia pulita e rinnovabile. Le celle solari al silicio attualmente dominano il mercato, ma hanno dei limiti di efficienza,' spiega il Prof. Dr. Wolf Gero Schmidt, fisico e Decano della Facoltà di Scienze Naturali dell'Università di Paderborn. Uno dei motivi è che parte dell'energia della radiazione a onde corte non viene convertita in elettricità, ma in calore indesiderato.

Schmidt spiega, 'Per aumentare l'efficienza, alla cella solare in silicio può essere aggiunto uno strato organico, ad esempio realizzato dal semiconduttore tetracene. La luce a onde corte viene assorbita in questo strato e convertita in eccitazioni elettroniche ad alta energia, chiamate eccitoni. Questi eccitoni decadono nel tetracene in due eccitazioni a bassa energia. Se queste eccitazioni possono essere trasferite con successo alla cella solare in silicio, possono essere efficientemente convertite in elettricità e aumentare il rendimento complessivo dell'energia utilizzabile.'

Svolta decisiva per un rapido trasferimento di energia

Il trasferimento di eccitazione del tetracene al silicio è stato studiato dal team di Schmidt utilizzando complesse simulazioni al computer presso il Paderborn Center for Parallel Computing (PC2), il centro di calcolo ad alte prestazioni dell'università. È stata così raggiunta una svolta decisiva: In uno studio congiunto con il Dr. Marvin Krenz e il Prof. Dr. Uwe Gerstmann, entrambi dell'Università di Paderborn, gli scienziati hanno dimostrato che difetti speciali sotto forma di legami chimici insaturi all'interfaccia tra il film di tetracene e la cella solare accelerano drasticamente il trasferimento degli eccitoni.

Schmidt osserva, 'Tali difetti si verificano durante la desorbimento dell'idrogeno e causano stati interface elettronici con energia fluttuante. Queste fluttuazioni trasportano le eccitazioni elettroniche dal tetracene al silicio come un ascensore.'

Tali 'difetti' nelle celle solari sono effettivamente associati a perdite di energia. Ciò rende i risultati del trio di fisici ancora più sorprendenti.

'Nel caso dell'interfaccia silicio tetracene, i difetti sono essenziali per il rapido trasferimento di energia. I risultati delle nostre simulazioni al computer sono veramente sorprendenti. Forniscono anche indicazioni precise per la progettazione di un nuovo tipo di cella solare con un'efficienza notevolmente aumentata,' afferma Schmidt.

Fornito da Università di Paderborn