Celle solari, scoperto come trattenere l’energia 1.000 volte più a lungo grazie alle perovskiti
Una nuova scoperta potrebbe aprire la strada a celle solari molto più efficienti, capaci di sfruttare una parte dell’energia luminosa che oggi viene normalmente dispersa sotto forma di calore. I ricercatori dell’Università di Groningen, nei Paesi Bassi, hanno individuato una particolare proprietà delle perovskiti a base di stagno che permette di rallentare drasticamente la perdita di energia degli elettroni eccitati dalla luce.
Gli esperimenti hanno dimostrato che questi materiali possono trattenere l’energia degli elettroni più energetici fino a 1.000 volte più a lungo rispetto ai normali tempi di raffreddamento. Il risultato potrebbe contribuire allo sviluppo di una nuova generazione di pannelli fotovoltaici, potenzialmente capaci di superare alcuni dei limiti delle attuali tecnologie.
Come le perovskiti di stagno trattengono l’energia degli elettroni
Quando la luce colpisce una cella solare, i fotoni trasferiscono la propria energia agli elettroni presenti nel materiale. Alcuni di questi raggiungono livelli energetici particolarmente elevati e vengono definiti elettroni caldi, o hot electrons.
Il problema è che questa energia aggiuntiva viene normalmente persa quasi istantaneamente. Gli elettroni si raffreddano nell’arco di pochi picosecondi, trasferendo l’energia in eccesso al materiale sotto forma di calore.
Si tratta di uno dei fenomeni che limitano l’efficienza delle celle fotovoltaiche convenzionali, perché una parte dell’energia assorbita dalla luce non viene convertita in elettricità.
Utilizzando materiali in perovskite di stagno, i ricercatori sono riusciti a rallentare questo processo di circa 1.000 volte. Invece di disperdere l’energia in pochi picosecondi, gli elettroni sono rimasti in uno stato energetico elevato per un intervallo dell’ordine dei nanosecondi.
Le misurazioni sperimentali sono state supportate anche da simulazioni al computer, che hanno confermato il comportamento osservato e contribuito a chiarire i meccanismi fisici responsabili del fenomeno.
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Due fenomeni fisici spiegano il rallentamento del raffreddamento
Secondo i ricercatori, la capacità delle perovskiti di stagno di trattenere più a lungo l’energia degli elettroni dipende dalla combinazione di due meccanismi: il cosiddetto hot phonon bottleneck e l’effetto Burstein-Moss.
Il primo fenomeno riguarda il modo in cui l’energia viene trasferita dagli elettroni al reticolo cristallino del materiale. Normalmente, gli elettroni eccitati cedono energia attraverso i fononi, ovvero le vibrazioni del reticolo.
Quando questi fononi non riescono a disperdere rapidamente l’energia ricevuta, possono trasferirne una parte nuovamente agli elettroni. Questo processo rallenta il raffreddamento e permette di mantenere più a lungo gli elettroni in uno stato energetico elevato.
Il secondo meccanismo, noto come effetto Burstein-Moss, interviene quando gli stati elettronici a energia inferiore risultano già occupati. In queste condizioni, gli elettroni eccitati hanno meno possibilità di passare a livelli energetici più bassi.
La combinazione dei due effetti ostacola quindi la perdita di energia e prolunga il tempo durante il quale gli elettroni caldi potrebbero essere sfruttati per produrre elettricità.
Celle solari oltre il 33% di efficienza: le prospettive della scoperta
Le perovskiti a base di stagno sono considerate materiali promettenti per il fotovoltaico anche per altre caratteristiche. A differenza di molte perovskiti studiate per le celle solari, non contengono piombo tossico, un vantaggio importante per lo sviluppo di tecnologie potenzialmente più sostenibili.
Questi materiali offrono inoltre un buon assorbimento della luce e un’elevata mobilità delle cariche elettriche, proprietà fondamentali per la conversione dell’energia solare.
La possibilità di rallentare il raffreddamento degli elettroni aggiunge un ulteriore elemento di interesse. Se l’energia in eccesso potesse essere raccolta prima della sua dispersione, diventerebbe possibile aumentare la quantità di elettricità prodotta a partire dalla stessa radiazione solare.
I ricercatori ritengono che questa proprietà potrebbe contribuire allo sviluppo di celle fotovoltaiche capaci di superare il limite teorico di efficienza di circa il 33%, noto come limite di Shockley-Queisser, che riguarda le celle solari convenzionali a singola giunzione in condizioni ideali.
Il risultato ottenuto non significa, tuttavia, che sia già stata realizzata una cella solare con un’efficienza superiore a tale soglia. La ricerca dimostra soprattutto che è possibile conservare più a lungo l’energia degli elettroni caldi, un requisito importante per riuscire a sfruttarla attraverso dispositivi fotovoltaici appositamente progettati.
La sfida successiva sarà trasformare questa proprietà del materiale in un sistema capace di raccogliere efficacemente l’energia aggiuntiva e convertirla in elettricità, mantenendo al tempo stesso stabilità e prestazioni adeguate per un utilizzo pratico.
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