Solare, studio di Oxford scopre come ridurre la perdita di energia nelle celle fotovoltaiche

Un team di ricercatori dell'University of Oxford, in collaborazione con esperti provenienti dalla Cina, ha annunciato di aver individuato una possibile soluzione a uno dei principali limiti tecnici che frenano l'efficienza dei pannelli solari. Lo studio si concentra sul superamento del compromesso tra la capacità di assorbimento della luce e la velocità di perdita delle particelle cariche, un fenomeno noto come ricombinazione, che riduce drasticamente l'energia convertibile in elettricità per utenti e operatori del settore energetico.

Il problema risiede nel comportamento fisico dei materiali semiconduttori utilizzati nelle celle: solitamente, maggiore è la capacità del materiale di catturare i fotoni, più rapida è la velocità con cui gli elettroni estratti si ricombinano con le cosiddette lacune, smettendo di partecipare alla generazione di corrente. Gli scienziati hanno analizzato questa dinamica attraverso esperimenti condotti sul solfuro di bismuto (Bi2S3), scoprendo che questo specifico semiconduttore è in grado di combinare un forte assorbimento luminoso con una perdita di cariche elettriche significativamente più lenta rispetto agli standard attuali.

Per giungere a questi risultati, il gruppo di ricerca ha prodotto pellicole di solfuro di bismuto con uno spessore di circa 150 nanometri attraverso processi di evaporazione termica. I campioni sono stati successivamente sottoposti a una ricottura alla temperatura di 250 gradi Celsius per la durata di 30 minuti in un'atmosfera controllata di azoto. Il movimento e la scomparsa dei portatori di carica sono stati monitorati utilizzando impulsi laser della durata di 35 femtosecondi con un'energia di 1,55 eV e una tecnica di spettroscopia a terahertz ultraveloce. Le misurazioni, effettuate in un intervallo di temperatura compreso tra 4 e 295 Kelvin, hanno rivelato un comportamento anomalo del materiale: a differenza di molti altri semiconduttori dove il processo accelera, nel solfuro di bismuto la ricombinazione rallenta progressivamente al diminuire della temperatura.

Il segreto dell'efficienza osservata risiede nella particolare disposizione dei livelli energetici interni. Sebbene il materiale assorba efficacemente la luce solare, una parte degli elettroni e delle lacune si sposta in stati energetici dove l'unione tra loro avviene più lentamente. La differenza di energia tra questi stati è minima, pari a circa 40 millielettronvolt (meV). Questa specifica configurazione permette alle cariche elettriche di persistere più a lungo nel materiale a temperatura ambiente. Secondo i calcoli dei ricercatori, la velocità di ricombinazione in queste condizioni risulta inferiore di circa il 75% rispetto a quella dei semiconduttori convenzionali.

I ricercatori ritengono che la scoperta del solfuro di bismuto non sia un punto di arrivo, ma una base per identificare altri composti con proprietà simili analizzando i database esistenti. Sebbene lo studio non offra ancora una risposta definitiva all'innalzamento del rendimento dei pannelli solari commerciali, il lavoro permette di definire un insieme di parametri fisici per la ricerca di nuovi materiali capaci di trasformare la luce in elettricità con maggiore efficacia.