Pannelli solari su un tetto di Walmart, Mountain View, California. Walmart / Flickr, CC BYPannelli solari su un tetto di Walmart, Mountain View, California.
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La domanda globale di energia aumenta di ora in ora, mentre i paesi in via di sviluppo si muovono verso l'industrializzazione. Gli esperti stimano che entro l'anno 2050 potrebbe raggiungere la domanda mondiale di elettricità 30 terawatts (TW). Per prospettiva, un terawatt è all'incirca uguale alla potenza di 1.3 miliardi di cavalli.

L'energia del sole non ha limiti: il sole ci offre 120,000 TW di energia in un dato istante - ed è gratuito. Ma oggi l'energia solare fornisce solo circa l'uno per cento dell'elettricità mondiale. La sfida cruciale sta rendendo meno costoso convertire l'energia fotoelettrica in energia elettrica utilizzabile.

Per fare ciò, dobbiamo trovare materiali che assorbano la luce del sole e convertirli in elettricità in modo efficiente. Inoltre, vogliamo che questi materiali siano abbondanti, rispettosi dell'ambiente e convenienti da fabbricare in dispositivi solari.

I ricercatori di tutto il mondo stanno lavorando per sviluppare tecnologie di celle solari che siano efficienti e convenienti. L'obiettivo è di portare il costo di installazione dell'elettricità solare al di sotto di US $ 1 per watt, rispetto a circa $ 3 per watt oggi.


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A Binghamton University Centro per l'energia solare autonoma (CASP), stiamo studiando i modi per realizzare celle solari a film sottile usando materiali che sono abbondanti in natura e non tossici. Vogliamo sviluppare celle solari affidabili, altamente efficienti nel convertire la luce solare in elettricità e poco costose da produrre. Abbiamo identificato due materiali che hanno un grande potenziale come assorbitori solari: la pirite, meglio conosciuta come l'oro dello stolto a causa della sua lucentezza metallica; e rame-zinco-stagno-solfuro (CZTS).

Cerco il materiale ideale

Le celle solari commerciali di oggi sono realizzate con uno dei tre materiali: silicio, tellururo di cadmio (CdTe) e rame-indio-gallio-selenide (CIGS). Ognuno ha punti di forza e di debolezza.

Le celle solari al silicio sono altamente efficienti, convertendo fino a 25 per cento della luce del sole che cade su di loro in energia elettrica e molto resistente. Tuttavia, è molto costoso elaborare il silicio nei wafer. E questi wafer devono essere molto spessi (circa 0.3 millimetri, che è spesso per le celle solari) per assorbire tutta la luce del sole che cade su di loro, il che aumenta ulteriormente i costi.

Le celle solari in silicio - spesso indicate come celle solari di prima generazione - sono utilizzate nei pannelli che sono diventati viste familiari sui tetti. Il nostro centro sta studiando un altro tipo chiamato celle solari a film sottile, che rappresentano la prossima generazione di tecnologia solare. Come suggerisce il nome, le celle solari a film sottile sono realizzate mettendo un sottile strato di materiale assorbente solare su un substrato, come vetro o plastica, che in genere può essere flessibile.

Queste celle solari usano meno materiale, quindi sono meno costose delle celle solari cristalline prodotte con silicio. Non è possibile rivestire il silicio cristallino su un substrato flessibile, quindi abbiamo bisogno di un materiale diverso da utilizzare come assorbitore solare.

Sebbene la tecnologia solare a film sottile stia migliorando rapidamente, alcuni dei materiali nelle odierne celle solari a film sottile sono scarsi o pericolosi. Ad esempio, il cadmio in CdTe è altamente tossico per tutti gli esseri viventi ed è noto per causare il cancro negli esseri umani. CdTe può separare il cadmio e il tellurio ad alte temperature (ad esempio in un laboratorio o in un incendio domestico), ponendo un serio rischio di inalazione.

Stiamo lavorando con pirite e CZTS perché sono atossici e molto economici. CZTS costa circa 0.005 centesimi per watt e costi di pirite un semplice centesimo 0.000002 per watt. Sono anche tra i materiali più abbondanti nella crosta terrestre e assorbono lo spettro visibile del sole in modo efficiente. Questi film possono essere sottili come 1 / 1000th di un millimetro.

Test delle celle solari CZTS sotto la luce solare simulata. Tara Dhakal / Binghamton University, Autore fornito Test delle celle solari CZTS sotto la luce solare simulata.
Tara Dhakal / Binghamton University, Autore fornito
Abbiamo bisogno di cristallizzare questi materiali prima che possiamo fabbricarli in celle solari. Questo viene fatto riscaldandoli. CZTS cristallizza a temperature sotto 600 gradi Celsius, rispetto a 1,200 gradi Celsius o superiore per il silicio, il che rende meno costoso il processo. Funziona molto come le celle solari in rame indio al gallio indio (CIGS) ad alta efficienza, che sono attualmente disponibili in commercio, ma sostituisce l'indio e il gallio in queste cellule con zinco e stagno più economici e più abbondanti.

Finora, tuttavia, le celle solari CZTS sono relativamente inefficienti: convertono meno di 13 per cento della luce del sole che cade su di loro per l'elettricità, rispetto al 20 per cento per le celle solari CIGS più costose.

Sappiamo che le celle solari CZTS hanno un potenziale per essere efficienti per cento 30. Le principali sfide sono 1) che sintetizza film sottile CZTS di alta qualità senza tracce di impurità e 2) che trova un materiale adatto per lo strato "tampone" sottostante, che aiuta a raccogliere le cariche elettriche create dalla luce solare nello strato assorbente. Il nostro laboratorio ha prodotto un film sottile CZTS con sette per cento di efficienza; speriamo di avvicinarci presto all'efficienza percentuale di 15 sintetizzando strati CZTS di alta qualità e trovando strati tampone adeguati.

Struttura di una cella solare CZTS. Tara Dhakal / Binghamton University, Autore fornitoStruttura di una cella solare CZTS.
Tara Dhakal / Binghamton Univ., Autore fornito
La pirite è un altro potenziale assorbitore che può essere sintetizzato a temperature molto basse. Il nostro laboratorio ha sintetizzato pellicole sottili di pirite e ora stiamo lavorando per stratificare quei film in celle solari. Questo processo è difficile perché la pirite si rompe facilmente quando viene esposta al calore e all'umidità. Stiamo studiando modi per renderlo più stabile senza influire sul suo assorbimento solare e sulle proprietà meccaniche. Se riusciamo a risolvere questo problema, "l'oro del folle" potrebbe trasformarsi in un dispositivo fotovoltaico intelligente.

In un recente studio, i ricercatori della Stanford University e della University of California a Berkeley hanno stimato che l'energia solare potrebbe fornire fino al 45 per cento dell'elettricità degli Stati Uniti da 2050. Per raggiungere questo obiettivo, dobbiamo continuare a ridurre il costo dell'energia solare e trovare modi per rendere le celle solari più sostenibili. Crediamo che i materiali abbondanti e non tossici siano la chiave per realizzare il potenziale dell'energia solare.

Circa l'autore

dhakal taraTara P. Dhakal, ricercatrice di ingegneria elettrica e informatica, Binghamton University, State University di New York. Il suo interesse di ricerca riguarda le energie rinnovabili, in particolare l'energia solare. Il suo obiettivo di ricerca è raggiungere la tecnologia delle celle solari che sia ecologicamente favorevole ed economicamente conveniente.

Questo articolo è stato pubblicato in origine The Conversation. Leggi il articolo originale.

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