Celle di Graetzel e nanotubi di carbonio: probabile domani per il fotovoltaico

celle di Graetzel

Dopo le celle di I generazione (in pratica quelle utilizzate sugli impianti che sono montati attualmente) a quelle di II generazione (film semiconduttori che utilizzano rame, indio, gallio e selenio: i cosiddetti moduli CIGS), si parla oggi per ora a livello di ricerca di celle di III generazione.

Fra queste celle, molto interesse stanno destando quelle basate su nanotecnologie.

Da un lato vi sono le celle di Graetzel che hanno un principio di funzionamento che si avvicina alla fotosintesi clorofilliana. Quindi non si utilizza più il principio di separazione di cariche positive e negative (lacune ed elettroni, rispettivamente) come avviene nelle celle al silicio di prima generazione ed anche in quelle di II generazione, per mezzo di salti di banda energetica conferita dalla luce agli elettroni.

Nel caso delle celle di Graetzel la luce colpisce un elettrodo costituito da uno strato di colorante otticamente attivo che è chimicamente legato alla superficie di uno strato di nano particelle di biossido di Titanio (Ti O2) fra di loro collegate e depositate su di un vetro trasparente e conduttore. È in questo elettrodo si genera l’effetto fotovoltaico: il colorante assorbe la luce incidente, genera al suo interno una coppia elettrone-lacuna. L’elettrone viene “assorbito” dallo strato di biossido di Titanio e “immesso” nel circuito elettricamente. La lacuna è trasferita dal colorante al materiale che opera come “mezzo di trasporto” per convogliare la lacuna verso l’altro elettrodo. Ecco perché la cella di Graetzel è costituita da due elettrodi fra loro collegati, elettricamente perché immersi in un materiale gelatinoso o liquido.

Nella cella di Graetzel in pratica la separazione delle cariche avviene con l’impiego di materiali diversi.

Una ulteriore tecnologia di grande interesse nel settore del fotovoltaico è quella rappresentata dai nanotubi di carbonio, scoperti in Giappone nel 1991. Questi materiali sono cosi detti perché la loro struttura è costituita da tubi cilindrici cavi che hanno base con diametro di alcuni nanometri e altezza dell’ordine del micron.

1 nanometro = 1 millionesimo di millimetro;

1 micron = 1 millesimo di millimetro.

Lo spessore della parete ha dimensione comparabile a quella di alcuni atomi. Se immaginiamo di “srotolare” un nanotubo, si ottengono delle piastre che, una volta sovrapposte, vanno a costituire la struttura della grafite (materiale ben noto, utilizzato, ad esempio, nelle mine delle matite).

I ricercatori che lavorano nel settore, hanno scoperto che “arrotolando” nanotubi con parete multipla, è possibile realizzare materiali fotosensibili con capacità di generare cariche molto superiori a quella che hanno i nano tubi a parete singola, una volta esposti all’irraggiamento solare.

Queste tecnologie che utilizzano i nanotubi sono state utilizzate per apportare variazioni sia alla struttura di celle convenzionali al silicio, sia alla struttura delle celle di Graetzel. Nel caso di celle al silicio, uno dei due semiconduttori è realizzato con nanotubi di carbonio, fermo restando l’altro semiconduttore il silicio. Il fatto di realizzare un semiconduttore con nanotubi, permette di aumentare, per unità di volume, il numero di giunzioni, ossia il numero di “celle” in cui avviene la separazione di cariche positive e cariche negative.

Nel caso delle celle di Graetzel, è il nanotubo a riunire in sé l’azione del colorante e quella del biossido di titanio: il nanotubo conduce l’elettrone fino all’elettrodo e trasferisce le lacune al mezzo “di trasporto”.

Uno degli aspetti interessanti di questa ricerca sta nel fatto che la radiazione convertita comprende radiazioni vicine al violetto e ultravioletto a cui le celle convenzionali sono “insensibili”.

Questo, in prospettiva, permette di aumentare il rendimento della cella a valori ben superiori a quelli attuali,propri delle celle in silicio oggi si attestano intorno al 15% ÷ 18%.

Le celle basate sui nanotubi, nei primi esperimenti di laboratorio hanno uno strato rendimento, nel caso di celle con nano tubi di carbonio e silicio pari al 10% ÷ 15%, e se si pensa che le prime celle in silicio monocristallino avevano rendimenti inferiori al 5%, le prospettive non sembrano affatto male. Un ulteriore vantaggio delle celle a nanotubi è costituito dal fatto che ne possono essere realizzate a costi tendenzialmente molto inferiori a quelle delle celle in silicio cristallino.

L’aspetto dei costi, anch’esso alquanto promettente potrà essere confermato in funzione della capacità di ingegnerizzare il processo produttivo dei nanotubi.

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