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Una squadra internazionale di ricercatori guidati dall’Università di Tokyo ha scoperto un nuovo materiale che, quando avvolto in un nanotubo genera energia elettrica se esposto alla luce. Se ingrandita e scalata, dicono gli scienziati, la tecnologia potrebbe venire utilizzata in futuri dispositivi solari ad alta efficienza.

 

photovoltaic

Un rendering grafico del nanotubo di disolfuro di tungsteno Immagine: © 2019 Iwasa et al

 

Gli scienziati studiando possibili applicazioni per un nanotubo semiconduttore hanno scoperto che un determinato materiale – composto da disolfuro di tungsteno – esibisce l’effetto fotovoltaico anomalo (BPVE) a un’efficienza molto più alta rispetto ad altri materiali conosciuti per esibire lo stesso fenomeno. La BPVE avviene quando la corrente generata attraverso l’intera struttura del materiale piuttosto che essere affidata a una giunzione tra i materiali.

“Essenzialmente il nostro materiale di ricerca genera elettricità come fanno i pannelli solari, solo in maniera differente. Abbiamo dimostrato per la prima volta che i nanomateriali possono superare un ostacolo che presto limiterà l’attuale tecnologia solare.”

– University of Tokyo professor Yoshihiro Iwasa

Il disolfuro di tungsteno esibisce un effetto fotovoltaico solo quando avvolto in nanotubi. L’effetto fotovoltaico anomalo avviene perchè il nanotubo non è simmetrico e la corrente generata ha una direzione favorita verso cui scorrere. Altri materiali con una simile struttura di “inversione di simmetria rotta” hanno dimostrato di esibire lo stesso effetto ma Iwasa e la sua squadra hanno scoperto che con i nanotubi di disolfuro di tungsteno l’efficienza di conversione si è dimostrata molto più alta.

“La nostra ricerca mostra un intero ordine di magnitudine di miglioramento nell’efficienza di BPVE rispetto alla sua presenza in altri materiali”, ha detto Iwasa. Lo studio è stato pubblicato su Nature.

In teoria, il BPVE potrebbe fornire agli scienziati una strada verso celle solari più efficienti. In ogni caso, l’efficienza dimostrata per ora risulta essere troppo bassa per andare oltre il laboratorio. Iwasa ha oltretutto osservato che scalare questa tecnologia a grandezze significative costituisce una sfida significante.

“Nonostante questo enorme miglioramento, il nostro nanotubo WS2 non può ancora essere comparato al potenziale generato dai materiali con giunzioni p-n. Questo perchè il dispositivo essendo nanoscopico sarà difficile da ingrandire. Ma è possibile, e spero che i chimici siano in grando di raccogliere la sfida”

– University of Tokyo professor Yoshihiro Iwasa

Fonte: pv-magazine-australia.com

 

 

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Traduzione a cura di Daniel Iversen

L’efficienza delle celle solari convenzionali potrebbe incrementare in maniera significativa, questo secondo la ricerca su un nuovo meccanismo di conversione dell’energia solare, capitanata da Xiaoyang Zhu all’Università del Texas, ad Austin.

Zhu ed il suo team hanno scoperto che è possibile raddoppiare il numero degli elettroni raccolti da un fotone di luce usando un materiale semi-conduttore in plastica.

“La produzione di celle solari fatte con semi-conduttori in plastica ha ottimi vantaggi, uno di questi è il basso costo” dice Zhu, professore di chimica. “In combinazione con l’alta capacità di progetazzione molecolare e di sintesi, la nostra scoperta apre la porta a un eccitante nuovo approccio per la conversione dell’energia solare, in grado di avere efficienze molto piu elevate.

Zhu ed il suo team hanno pubblicato la loro dirompente scoperat il 16 dicembre 2011, su “Science”.

L’efficienza massima teorizzata per le celle solari in silicio, usate oggi, è approssimativamente del 31 %, visto che molta dell’energia solare che colpisce la cella è troppo grande per essere trasformata in energia elettrica utilizzabile.

Questa energia, in forma di elettroni eccitati, viene persa tramite calore. Catturare questi elettroni eccitati potrebbe potenzialmente incrementare l’efficienza della conversione da solare ad elettricità fino al 66 %.

Zhu e il suo team hanno precedentemente dimostrato che questi elettroni eccitati possono essere catturati usando semi-conduttori nanocristallini.
Hanno pubblicato la loro ricerca su Science nel 2010 ma Zhu afferma che l’effettiva implementazione di una  tecnologia praticabile, basata su questa ricerca, è molto impegnativa.

“Per prima cosa” ha detto Zhu “quel 66 % di efficienza può essere raggiunta solo quando viene usata luce altamente concentrata, e non la luce pura che colpisce normalmente un pannello solare. Questo crea un problema quando si considera la progettazione di un nuovo materiale o un nuovo dispositivo”.

Per circuire questo problema però, Zhu ed il suo team hanno trovato un’alternativa. Hanno scoperto che un fotone produce uno “stato ombra” quantistico dal quale due elettroni possono poi venire catturati efficientemente per generare più energia in un semiconduttore di pentacene.

Zhu spiega che sfruttando tale meccanismo si potrebbe incrementatare l’efficienza di una cella solare al 44 % senza la necessità di dover concentrare il raggio solare; questo dovrebbe incoraggiare un uso più diffuso della tecnologia solare.

Il team di ricerca è stato guidato da Wai-lun Chan, collega post dottorato nel gruppo di Zhu, e con l’aiuto di Manuel Liggens, Askat Jailaubekov, Loren Kaake e Luis Miaja-Avila. La ricerca è stata sostenuta dalla National Science Foundation e dal Dipartimento di Energia.

La scienza che sta dietro a questa scoperta:

– L’assorbimento di un fotone in un semiconduttore di pentacene crea
una coppia di buchi elettronici chiamati eccitoni.

– L’eccitone è accoppiato in maniera quantistica meccanica con uno
“stato ombra” scuro, chiamato multi-eccitone.

– Questo stato ombra scuro può essere la fonte più efficiente per due
elettroni attraverso il trasferimento ad un materiale accettatore di
elettroni come il fullerene, usato nell’esperimento

– Sfruttando lo stato ombra per produrre il doppio di elettroni
potrebbe incementare l’efficienza delle celle solari fino al 44 per cento

Fonte: sciencedaily.com

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