Celle solari ferroelettriche, aumentata la produzione energetica

Un nuovo studio mostra come aumentare di tre volte l’effetto fotovoltaico dei cristalli ferroelettrici creando super reticoli di tre diversi materiali

Celle solari ferroelettriche
Particelle di BaTiO3 scansionate al microscopio elettronico. Credits: M.T. Buscaglia, ICMATE-CNRCC BY 4.0

Un mix di materiali sottilissimi per ottimizzare le celle solari ferroelettriche

(Rinnovabili.it) – Le celle solari ferroelettriche potrebbero costituire la prossima generazione fotovoltaica? C’è chi ne è convinto nonostante questa tecnologia abbia alle spalle una lunga storia di insuccessi. L’effetto fotovoltaico nei ferroelettrici – solidi che mostrano polarizzazione elettrica spontanea – era stato immaginato circa 35 anni fa dal fisico Vladimir Fridkin. Ma nei decenni successivi lo sviluppo di dispositivi solari che sfruttassero tali materiali è rimasto per lo più appannaggio della ricerca accademica. Perché non abbandonare tale strada? Perché i cristalli ferroelettrici possono raggiungere tensioni estremamente alte a circuito aperto, oggi proibite alle celle solari standard. Inoltre la polarità del cristallo aiuta a ridurre i tassi di ricombinazione delle cariche libere. Non solo.  A differenza del silicio, i cristalli ferroelettrici non richiedono una cosiddetta giunzione pn per creare l’effetto fotovoltaico. In altre parole, nessuno strato drogato positivamente e negativamente. Questo renderebbe molto più facile la produzione commerciale di moduli e pannelli.

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Sulla tecnologia stanno lavorando alcuni scienziati della Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU). Il fisico Akash Bhatnagar e il suo team di ricercatori hanno trovato un modo per migliorare le celle solari ferroelettriche, aumentando l’effetto fotovoltaico di 1000 volte. Hanno raggiunto questo obiettivo creando strati cristallini posti uno sopra l’altro a formare un super reticolo.

Celle solari ferroelettriche
Credits: Uni Halle / Yeseul Yun

Lo studio è partito dal titanato di bario, un solido ferroelettrico che nella formula pura non assorbe molta luce e di conseguenza genera una fotocorrente relativamente bassa. Ma in combinazione con strati estremamente sottili di materiali diversi aumenta significativamente la resa energetica. “Ferroelettrico significa che il materiale ha cariche positive e negative separate spazialmente”, spiega il Dott. Bhatnagar. “La separazione della carica porta a una struttura asimmetrica che consente di generare elettricità dalla luce […] L’importante qui è che il materiale ferroelettrico sia alternato con uno paraelettrico. Sebbene quest’ultimo non abbia cariche separate, può diventare ferroelettrico in determinate condizioni, ad esempio a basse temperature o quando la sua struttura chimica è leggermente modificata”.

Il team ha scoperto di poter aumentare la conversione luminosa in maniera esponenziale alternando il titanato di bario non con uno, ma con due diversi strati paraelettrici: titanato di stronzio e titanato di calcio.

“Ciò è stato ottenuto vaporizzando i cristalli con un laser ad alta potenza e ridepositandoli su substrati di supporto. Questo ha prodotto un materiale composto da 500 strati con uno spessore di appena 200 nanometri”, spiega Yeseul Yun, primo autore dello studio. “L’interazione tra gli strati del reticolo sembra portare a una permittività molto più elevata”, ha aggiunto Bhatnagar. “In altre parole, gli elettroni sono in grado di fluire molto più facilmente a causa dell’eccitazione da parte dei fotoni”. Le misurazioni hanno anche mostrato che l’effetto è rimasto quasi costante per un periodo di sei mesi. Lo studio è stato pubblicato su Science Advances (testo in inglese).

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