Un nuovo materiale supera le celle solari tradizionali

Verso celle solari migliori grazie ad una nuova esplorazione dell’effetto fotovoltaico in massa in un materiale promettente per le tecnologie di raccolta solare di prossima generazione

L'effetto fotovoltaico può verificarsi senza interfacce metallo/semiconduttore o semiconduttore/semiconduttore in materiali con polarizzazione elettrica spontanea a causa della mancanza di simmetria di inversione spaziale. Questo fenomeno anomalo è noto come effetto bulk fotovoltaico (BPV) dovuto allo spostamento della corrente, che facilita la conversione fotoelettrica. Il seleniuro di indio fase alfa (a-In₂Se₃) è un semiconduttore ferroelettrico con polarizzazione elettrica spontanea.

L’effetto bulk fotovoltaico (BPV) è un fenomeno raro che può consentire ad alcuni materiali di superare le prestazioni delle giunzioni p-n convenzionali utilizzate nelle celle solari. In uno studio recente, pubblicato dal giornale Applied Physics Letters (1), ricercatori giapponesi hanno dimostrato sperimentalmente per la prima volta l’effetto BPV nel seleniuro di indio in fase alfa (a-In₂Se₃) lungo la direzione fuori dal piano, convalidando precedenti previsioni teoriche. La notevole efficienza di conversione registrata nel loro dispositivo a-In2Se3 segnala un progresso promettente per le future tecnologie delle celle solari e dei fotosensori.

Una profonda comprensione dell’effetto fotovoltaico, mediante il quale la luce può essere convertita in energia elettrica utile, è alla base della progettazione e dello sviluppo delle celle solari. Oggi, la maggior parte delle celle solari utilizza giunzioni p–n, sfruttando l’effetto fotovoltaico che si verifica all’interfaccia di diversi materiali. Tuttavia, tali progetti sono vincolati dal limite Shockley-Queisser, che pone un limite massimo alla loro massima efficienza teorica di conversione solare e impone un compromesso tra la tensione e la corrente che può essere prodotta tramite l’effetto fotovoltaico.

Tuttavia, alcuni materiali cristallini presentano un fenomeno intrigante noto come effetto fotovoltaico di massa (BPV). Nei materiali privi di simmetria interna, gli elettroni eccitati dalla luce possono muoversi coerentemente in una direzione specifica invece di ritornare nelle loro posizioni originali. Ciò si traduce in quelle che sono note come “correnti di spostamento”, che portano alla generazione dell’effetto BPV. Sebbene gli esperti abbiano previsto che il seleniuro di indio in fase alfa (a-In₂Se₃) sia un possibile candidato per dimostrare questo fenomeno, non è stato ancora studiato sperimentalmente.

Per colmare questa lacuna di conoscenze, un gruppo di ricerca giapponese guidato dal professore associato Noriyuki Urakami (2) della Shinshu University ha deciso di esplorare l’effetto BPV nella a-In₂Se_3.

«Questo materiale è recentemente diventato un tema caldo nel campo della fisica della materia condensata, poiché potrebbe essere in grado di generare una corrente di spostamento. Il nostro studio è il primo a dimostrare sperimentalmente questa previsione», condivide il professor Urakami.

Innanzitutto, i ricercatori hanno prodotto un dispositivo a strati composto da un sottile velo di a-In₂Se₃ inserito tra due strati di grafite trasparente. Questi strati di grafite fungevano da elettrodi ed erano collegati a una sorgente di tensione e a un amperometro per misurare eventuali correnti generate dall'irradiazione luminosa. In particolare, il team ha utilizzato questa specifica disposizione degli strati perché si è concentrato sulle correnti di spostamento che si verificano nella direzione fuori dal piano nello strato a-In₂Se₃.

Dopo aver effettuato test con diverse tensioni esterne e luce incidente di varie frequenze, i ricercatori hanno verificato l'esistenza di correnti di spostamento nella direzione fuori dal piano, confermando le previsioni sopra menzionate. L'effetto BPV si è verificato in un'ampia gamma di frequenze luminose.

Ancora più importante, i ricercatori hanno valutato il potenziale dell’effetto BPV nella a-In₂Se₃ e lo hanno confrontato con quello di altri materiali. «Il nostro dispositivo a-In₂Se₃ ha dimostrato un’efficienza quantica di diversi ordini di grandezza superiore rispetto ad altri materiali ferroelettrici e paragonabile a quella dei materiali a bassa dimensionalità con polarizzazione elettrica migliorata», osserva il professor Urakami. Aggiunge inoltre: «Questa scoperta guiderà la selezione dei materiali per lo sviluppo di dispositivi fotovoltaici funzionali nel prossimo futuro».

Il gruppo di ricerca spera che i loro sforzi abbiano alla fine un impatto ambientale positivo contribuendo al campo della generazione di energia rinnovabile. «I nostri risultati hanno il potenziale per accelerare ulteriormente la diffusione delle celle solari, una delle tecnologie chiave per la raccolta di energia ambientale e una strada promettente verso una società a zero emissioni di carbonio», conclude un fiducioso professor Urakami.

Ci auguriamo che questo studio apra la strada a ulteriori ricerche per sfruttare l’effetto BVP e migliorare notevolmente le prestazioni delle celle solari, oltre ad accrescere la progettazione di fotorilevatori sensibili.

Riferimenti:

(1) Bulk photovoltaic effect of an alpha-phase indium selenide (a-In₂Se₃) crystal along the out-of-plane direction

(2) Noriyuki Urakami

Descrizione foto: Celle fotovoltaiche. - Credit: Redazione ECplanet.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Towards Better Solar Cells: Exploring an Anomalous Phenomenon of Electricity Generation