Science in the News

di Emily Kerr
figure di Abagail Burrus

Il Sole emette energia sufficiente sulla Terra ogni secondo per soddisfare l’intera domanda di energia umana per oltre due ore. Dato che è facilmente disponibile e rinnovabile, l’energia solare è una fonte attraente di energia. Tuttavia, a partire dal 2018, meno del due percento dell’energia mondiale proviene dal solare. Storicamente, la raccolta di energia solare è stata costosa e relativamente inefficiente. Anche questo scarso utilizzo solare, tuttavia, è un miglioramento rispetto ai due decenni precedenti, poiché la quantità di energia raccolta dall’energia solare in tutto il mondo è aumentata di oltre 300 volte da 2000 a 2019. I nuovi progressi tecnologici negli ultimi venti anni hanno spinto questa maggiore dipendenza dal solare diminuendo i costi, e nuovi sviluppi tecnologici promettono di aumentare questo utilizzo solare diminuendo ulteriormente i costi e aumentando l’efficienza del pannello solare.

Celle solari: Costi, sfide e design

Negli ultimi 20 anni, i costi associati alle celle solari, le strutture in grado di convertire l’energia luminosa in elettricità, sono diminuiti costantemente. Il National Renewable Energy Laboratory, un laboratorio del governo degli Stati Uniti che studia la tecnologia delle celle solari, stima i contributori alla crescente accessibilità del solare. Stimano che i costi duri, i costi dell’hardware fisico delle celle solari e i costi morbidi, che includono manodopera o costi per ottenere i permessi governativi richiesti, sono circa uguali (Figura 1). I costi soft sono diminuiti perché ci sono più potenziali consumatori e più esperti di installazione per nuove celle solari, quindi le aziende possono produrre celle solari alla rinfusa e installarle facilmente. I costi duri sono meno della metà di quello che erano nell’anno 2000, principalmente a causa della diminuzione dei costi dei materiali e di una maggiore capacità delle cellule di catturare la luce. L’ingegneria di celle solari più economiche ed efficienti ha richiesto un’attenta considerazione della fisica coinvolta nella cattura solare oltre al design innovativo.

Poiché le celle solari vengono utilizzate per convertire la luce in elettricità, devono essere composte da un materiale che sia bravo a catturare l’energia dalla luce. Questo materiale può essere inserito tra due piastre metalliche che trasportano l’elettricità catturata dall’energia luminosa dove è necessaria, come le luci di una casa o le macchine di una fabbrica (Figura 2). La scelta del materiale giusto per catturare la luce comporta la misurazione della differenza tra due livelli di energia chiamati banda di valenza e banda di conduzione. La banda di valenza a bassa energia è riempita con molte piccole particelle caricate negativamente chiamate elettroni, ma la banda di conduzione a più alta energia è per lo più vuota. Quando gli elettroni vengono colpiti da particelle di luce, chiamate fotoni, possono assorbire abbastanza energia per saltare dalla banda di conduzione a bassa energia nella banda di valenza ad alta energia. Una volta nella banda di valenza, l’energia extra nell’elettrone può essere raccolta come elettricità. È come se gli elettroni fossero seduti sul fondo di una collina (la banda di conduzione) e fossero colpiti da un fotone che dà loro l’energia per saltare verso l’alto (la banda di valance).

La quantità di energia necessaria agli elettroni per saltare nella banda di valenza dipende dal tipo di materiale. Essenzialmente, la dimensione della collina metaforica varia in base alle proprietà di un dato materiale. La dimensione di questo divario energetico è importante perché influisce sull’efficienza con cui le celle solari convertono la luce in elettricità. In particolare, se i fotoni colpiscono gli elettroni con meno energia di quella necessaria all’elettrone per saltare dalla banda di valenza alla banda di conduzione, nessuna energia della luce viene catturata. In alternativa, se la luce ha più energia di quella necessaria per superare quel divario, allora l’elettrone cattura l’energia precisa di cui ha bisogno e spreca il resto. Entrambi questi scenari portano a inefficienze nella raccolta solare, rendendo importante la scelta del materiale delle celle solari.

Storicamente, il silicio è stato il materiale più popolare per le celle solari (Figura 2). Una ragione di questa popolarità risiede nella dimensione del divario tra le bande di conduzione e valenza del silicio, poiché l’energia della maggior parte delle particelle di luce è molto vicina all’energia necessaria agli elettroni del silicio per saltare il divario energetico. Teoricamente, circa il 32% dell’energia luminosa potrebbe essere convertita in energia elettrica con una cella solare al silicio. Questo potrebbe non sembrare molto, ma è significativamente più efficiente della maggior parte degli altri materiali. Inoltre, il silicio è anche economico. È uno degli elementi più abbondanti sulla terra e il costo di raffinazione è diminuito drasticamente dal 1980. Le celle solari e l’elettronica industrie hanno guidato la diminuzione dei costi di purificazione come hanno imparato migliori tecniche di purificazione di massa per guidare la domanda di celle solari ed elettronica di consumo.

Oltre a ridurre i costi dei materiali, trucchi ingegneristici intelligenti stanno spingendo l’efficienza delle celle solari al silicio più vicino al loro massimo teorico. Affinché i fotoni possano essere convertiti in energia, devono prima scontrarsi con un elettrone. Un trucco per aumentare la probabilità di una collisione fotone/elettrone comporta patterning il silicio nelle celle solari in forme piramidali microscopiche. Quando la luce viene assorbita in una piramide, viaggia ulteriormente, aumentando la probabilità che la luce collida con gli elettroni nel silicio prima di sfuggire alla cellula.

In una tattica simile, chimici e scienziati dei materiali hanno progettato rivestimenti antiriflesso per mettere sulla parte anteriore delle celle solari per evitare che la luce utile venga riflessa nello spazio senza mai colpire un elettrone nella cella solare. Allo stesso modo, mettendo un riflettore sul retro della cella solare permette anche più luce da raccogliere. La luce che raggiunge la cella solare e la fa tutta la strada fino alla parte posteriore senza colpire un elettrone viene rimbalzata nella parte anteriore della cella, dando alla cella un’altra possibilità di raccogliere la luce.

Attualmente, il costo delle celle solari a base di silicio continua a diminuire e, nonostante le previsioni contrarie, il costo del silicio stesso continua a diminuire. Celle solari al silicio sono suscettibili di rimanere popolare per i prossimi anni. Sono state sviluppate alternative alle celle solari al silicio, ma non sono abbastanza lontane da essere commercialmente valide.

Il futuro delle celle solari

Per superare le attuali celle solari, un nuovo design dovrebbe essere in grado di catturare più luce, trasformare l’energia luminosa in elettricità in modo più efficiente e/o essere meno costoso da costruire rispetto ai progetti attuali. I produttori e i consumatori di energia sono più propensi ad adottare l’energia solare se l’energia che produce è uguale o meno costosa di altre forme di elettricità, spesso non rinnovabili, quindi qualsiasi miglioramento degli attuali progetti di celle solari deve ridurre i costi complessivi per diventare ampiamente utilizzato.

La prima opzione, l’aggiunta di hardware che consente alle celle solari di catturare più luce, in realtà non richiede che abbandoniamo i disegni delle celle solari attuali. L’elettronica può essere installata con la cella solare che consente alla cella di tracciare il sole mentre si muove attraverso il cielo diurno. Se la cella solare è sempre rivolto verso il sole, sarà colpito da molti più fotoni che se fosse solo puntando verso il sole intorno a mezzogiorno. Attualmente, progettare un’elettronica in grado di tracciare la posizione del sole in modo accurato e coerente per diversi decenni a un costo ragionevole è una sfida continua, ma l’innovazione su questo fronte continua. Un’alternativa a fare la cella solare stessa mossa è quello di utilizzare specchi per mettere a fuoco la luce su un più piccolo, e quindi più economico cella solare.

Un’altra strada per migliorare le prestazioni delle celle solari è quella di mirare alla loro efficienza in modo che siano migliori nel convertire l’energia alla luce solare in elettricità. Le celle solari con più di uno strato di materiale che cattura la luce possono catturare più fotoni delle celle solari con un solo strato. Recentemente, le celle solari testate in laboratorio con quattro strati possono catturare il 46% dell’energia luminosa in entrata che le colpisce. Queste cellule sono ancora per lo più troppo costose e difficili da realizzare per uso commerciale, ma la ricerca in corso potrebbe un giorno rendere possibile l’implementazione di queste cellule super-efficienti.

L’alternativa al miglioramento dell’efficienza delle celle solari sta semplicemente diminuendo il loro costo. Anche se la lavorazione del silicio è diventata più economica negli ultimi decenni, contribuisce ancora in modo significativo al costo dell’installazione di celle solari. Utilizzando celle solari più sottili, i costi dei materiali diminuiscono. Queste “celle solari a film sottile” utilizzano uno strato di materiale per raccogliere energia luminosa che è solo 2 a 8 micrometri di spessore, solo circa l ‘ 1% di ciò che viene utilizzato per fare una cella solare tradizionale. Proprio come le celle con più strati, le celle solari a film sottile sono un po ‘ difficili da produrre, il che limita la loro applicazione, ma la ricerca è in corso.

Nell’immediato futuro, le celle solari al silicio continueranno probabilmente a diminuire di costi e ad essere installate in gran numero. Negli Stati Uniti, si prevede che queste diminuzioni dei costi aumenteranno l’energia solare prodotta di almeno il 700% entro il 2050. Nel frattempo, la ricerca su progetti alternativi per celle solari più efficienti e meno costose continuerà. Anni da oggi, è probabile che vedremo alternative al silicio apparire sulle nostre fattorie solari e sui tetti, contribuendo a fornire fonti di energia pulite e rinnovabili. Questi miglioramenti sono stati e continueranno ad essere resi possibili aumentando la produzione di massa di celle solari e nuove tecnologie che rendono le celle più economiche e più efficienti.

Emily Kerr, studente laureato in Chimica e Biologia chimica.

Abagail Burrus è uno studente di dottorato di biologia organismica ed evolutiva del terzo anno che studia lo sviluppo dell’elaioforo.

Per ulteriori informazioni:

• Per saperne di più su celle solari a film sottile, check out questo pezzo dal MIT News
• Per ulteriori informazioni sulla diminuzione dei costi delle celle solari, vedere questo articolo dal MIT News
• Per una rappresentazione grafica di come i pannelli solari funzionano, check out questo articolo a pannello solare per la composizione e la scienza

Questo articolo è parte del nostro SITN20 serie, scritta per celebrare il 20 ° anniversario di PNTERLPLSA che commemora la maggior parte dei notevoli progressi scientifici degli ultimi due decenni. Scopri i nostri altri pezzi SITN20!