Nanotubi di carbonio per celle solari superefficienti

luce - Foto di Flavio TakemotoLe celle solari a nanotubi di carbonio possono ottimizzare l’efficienza dell’assorbimento di energia luminosa raccogliendone il doppio rispetto a quanto possibile con le tecnologie attualmente in uso. L’efficacia della conversione della luce in elettricità riduce la dispersione dell’energia sotto forma di calore.

I ricercatori della Cornwell University hanno sviluppato una cella fotovoltaica costituita da un singolo nanotubo di carbonio che può sfruttare con maggiore efficienza l’energia luminosa rispetto ai sistemi fotovoltaici attuali.
I risultati dello studio sono stati pubblicati sulla rivista Science.

Le celle tubolari sono costituite da nanotubi di carbonio connessi a numerosi elettrodi e agiscono come una cella fotovoltaica superefficiente.

Il team di ricercatori, guidati da Paul McEuen, professore di fisica presso la Cornwell University, ha iniziato le ricerche inserendo un singolo nanotubo in un circuito fornendogli tre contatti elettrici chiamati gates, uno ad ogni estremità e uno sotto. Attraverso i gates viene data elettricità al nanotubo che viene poi illuminato.
Quando un fotone incontra il nanotubo, trasferisce parte della sua energia ad un elettrone che fluisce attraverso il circuito fuori dal nanotubo.

Questo processo a “un fotone – un elettrone” è ciò che normalmente accade in una cella solare, se il fotone è molto ricco di energia si verifica una perdita dell’energia extra sotto forma di calore.

Nella cella a nanotubo, invece, l’energia in più viene usata per incamerare un secondo elettrone nel circuito. In questo modo si ottiene una maggiore efficienza e una minore dispersione di calore.

“Il principale fattore limitante in una cella solare è dato dal fatto che nel momento in cui viene assorbito un fotone ad alta energia, parte di questa energia viene dispersa sotto forma di calore e non c’è modo di recuperarla” spiega Matthew Beard, scienziato del National Renewable Energy Laboratory.

Questa perdita di energia sotto forma di calore limita di circa il 33% l’efficienza delle celle solari. Si rende pertanto necessario mettere a punto un materiale che consenta l’ottimizzazione dell’efficienza nel convertire l’energia luminosa in energia utile alle necessità umane.

Lo studio e la realizzazione delle celle solari a nanotubi di carbonio è molto importante perché getta le basi per la creazione di celle solari di nuova generazione, inoltre il team di ricercatori è riuscito a realizzare il dispositivo più piccolo al mondo per catturare e trasformare in modo efficiente l’energia luminosa.
Il problema ora è nel realizzare celle a scala macroscopica per ottenere dei vantaggi dalla superefficienza fornita dai nanotubi.

I nanotubi di carbonio vengono impiegati con successo per realizzare pellicole trasparenti. Tali dispositivi servono per costruire schermi LCD meno costosi e più resistenti – come i touch screen che si trovano nei punti di informazione – schermi avvolgibili per libri elettronici, telefoni cellulari, cartelloni,… oltre a rappresentare il modello base per sviluppare celle solari flessibili, sottili e trasparenti.

Se da una parte i ricercatori stanno sviluppando metodi per cercare di aumentare la dimensione delle celle solari a nanotubi di carbonio, dall’altra appare chiaro che questa nuova tecnologia apre le porte a ulteriori studi sulle proprietà dei materiali con lo scopo di individuare il supporto più idoneo per catturare e convertire l’energia luminosa.

Ci sono prove che un’altra classe di nanomateriali, noti come punti quantici, abbia la capacità di convertire l’energia di un fotone in più di un elettrone.
Comunque la realizzazione operativa di celle a punti quantici risulta attualmente molto difficile e richiederà ancora molto lavoro.

Non è chiaro perché le celle solari a nanotubi permettano la conversione “un fotone – due elettroni“. Probabilmente il motivo risiede nel fatto che i nanotubi hanno numerosi livelli di energia e uno dei livelli energetici è il doppio dell’altro, mentre i materiali solari tradizionali hanno un solo livello di energia per lo spostamento degli elettroni.

I principali obbiettivi che ora si pongono i ricercatori sono: realizzare celle solari di buone dimensioni con numerosi nanotubi, studiare nuovi materiali e nuovi metodi per ottenere lo stesso tipo di livelli energetici offerti dai nanotubi di carbonio allo scopo di costruire celle solari di due materiali diversi che si comportino come le celle solari a singolo nanotubo.

“Forse la soluzione non è rappresentata dall’impiego dei nanotubi che però ci hanno fornito l’idea e il meccanismo per poter individuare altri materiali idonei alla realizzazione di celle fotovoltaiche di nuova generazione” afferma McEuen.