Nanoshell whispering, i nanogusci fotovoltaici “sussurranti” che intrappolano la luce

Gli ingegneri di Stanford hanno creato nanogusci fotovoltaici in grado di sfruttare un particolare fenomeno fisico per intrappolare la luce. Il risultato potrebbe migliorare in maniera straordinaria l’attuale efficienza delle celle solari a film sottile, riducendone sia il peso che il costo.

A molti di noi è capitato di sperimentare direttamente il fenomeno acustico della camera a sussurro, per il quale, al di sotto di una cupola o di una volta - o in una qualsiasi camera racchiusa in un'area circolare o ellittica – è possibile ascoltare chiaramente in qualsiasi punto della struttura i "sussurri" prodotti in altre parti della costruzione. Recentemente, gli scienziati di Stanford hanno preso spunto da questo fenomeno per produrre sottili nanosfere cave costituite di un particolare materiale fotovoltaico, il silicio nanocristallino. Il silicio nanocristallino, infatti, è un eccellente materiale fotovoltaico, con caratteristiche di ottima efficienza ed alta resistenza in condizioni di esposizione estrema alla luce, ma presenta una bassa capacità di assorbimento, il che si traduce in una forte richiesta di materiale per ottenere una cella fotovoltaica in grado di produrre un quantitativo non trascurabile di energia elettrica. Le nanosfere fotovoltaiche sono in grado di propagare la luce al loro interno allo stesso modo in cui le camere a sussurro intrappolano le onde acustiche, e in pratica migliorano notevolmente l’assorbimento del materiale. Grazie a questo effetto, secondo gli ingegneri di Stanford, si potrebbe ridurre notevolmente il peso e quindi il costo delle attuali celle fotovoltaiche a film sottile.

Per ottenere le nanocamere a sussurro, i ricercatori, guidati dal prof. Shanhui Fan, hanno creato innanzi tutto sottili nanosfere di ossido di silicio (il principale costituente del vetro comune) e le hanno poi ricoperte con uno strato di silicio nanocristallino. Successivamente, essi hanno sciolto il cuore vetroso delle nanosfere utilizzando acido fluoridrico, il quale non è in grado di intaccare il guscio di silicio. In questo modo hanno creato una serie di gusci nanostrutturati capaci di intrappolare la luce con un fenomeno ottico del tutto simile a quello presente nelle camere a sussurro. Inoltre, dalle misurazioni effettuate è emerso che lo spettro di luce assorbita in questo caso è molto superiore a quello comunemente sfruttato da uno strato piano di silicio nano-cristallino, migliorando ulteriormente l’efficienza fotovoltaica del materiale. Infine, depositando uno sull’altro due o tre strati di nano-gusci, il team di Stanford è riuscito ad ottenere, per alcune zone dello spettro solare, un assorbimento pari addirittura al 75%.

Una cella fotovoltaica composta di nanocamere a sussurro pesa mediamente un ventesimo di un’analoga struttura costituita da un film piano in silicio nanocristallino, ma c’è un altro vantaggio non trascurabile: questi nanogusci possono essere prodotti molto rapidamente, con tempi di fabbricazione dell’ordine di pochi minuti, contro le ore attualmente richieste per la produzione del film monostrato. Inoltre, un film composto di nanogusci è strutturalmente robusto, può subire piegature senza danneggiarsi ed è relativamente indifferente all’angolo di incidenza della radiazione solare. Tutto ciò, secondo i ricercatori di Stanford, lascia ipotizzare che in un prossimo futuro i nanogusci fotovoltaici potranno essere utilizzati per produrre in maniera economica molti tipi di celle solari a film sottile, riducendo nel contempo anche l’impiego dei materiali rari che, oltre al silicio, sono necessari per la loro costituzione.

Articolo pubblicato anche da Fondazione per lo Sviluppo Sostenibile