Tecnologie quantistiche per potenziare il fotovoltaico
A causa degli effetti di dissipazione termica delle leggi della termodinamica classica, la percentuale di conversione da energia solare in energia elettrica delle celle fotovoltaiche attualmente in commercio si attesta attorno al 32%. Tuttavia, grazie all’applicazione di tecnologie quantistiche, che entrano nella realzioni tra o materiali a livello atomico e subatomico, in futuro sarà possibile creare dispositivi fotovoltaici dotati di efficienza decisamentemaggiore.
Lo spiega Valentina Gosetti, ricercatrice al secondo anno del programma di dottorato internazionale in Science dell’Università Cattolica del Sacro Cuore di Brescia, in collaborazione con la belga Katholiecke Universitateit Leuven. «Quando la luce solare illumina una cella fotovoltaica, eccita una consistente quantità di coppie elettrone-lacuna all’interno di un materiale le cui proprietà elettroniche vengono temporaneamente modificate.
L’efficienza della cella dipende da quante coppie elettrone-lacuna si separano dall’interfaccia tra il materiale che assorbe la luce solare e il materiale accettore, ovvero quello che riceve gli elettroni, ma anche da quanti elettroni e lacune liberi vengono raccolti dai capi della cella, producendo così corrente elettrica».
Protocolli
Per questo, al fine di superare il limite predetto, Gosetti sta sviluppando il modo per individuare protocolli in grado di sfruttare il comportamento quantistico di alcuni materiali durante l’interazione con la radiazione luminosa. «La coerenza quantistica, in particolare, è un fenomeno non classico che potrebbe giocare un ruolo chiave in tutti gli stadi del processo di conversione dell’energia solare.
Tramite alcuni stati quantistici coerenti si potrebbe, da un lato, rendere più efficiente il processo di separazione delle coppie elettrone-lacuna in cariche libere, dall’altro migliorare il trasporto di quest’ultime, evitando quindi la dispersione sotto forma di calore di parte dell’energia assorbita».
Per farlo, la ricercatrice sta studiando materiali sia organici (come il tetracene) sia inorganici (il triioduro di bismuto) che presentano effetti quantistici promettenti, oltre ai processi fondamentali che si attivano a seguito dell’assorbimento della luce da parte del materiale.
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«Tali processi avvengono su scale temporali molto veloci, nell’ordine del milionesimo di miliardesimo di secondo» spiega la ricercatrice. Per osservarli e cercare di controllarli, il team italo-belga irraggia i materiali con impulsi laser ultraveloci e segue le dinamiche delle cariche eccitate utilizzando due tecniche complementari: la fotoemissione risolta in tempo e la spettroscopia ottica transiente.
La prima tecnica consente di «filmare» le cariche eccitate e seguirne in energia le loro dinamiche, permettendo di rivelare eventuali stati coerenti, diseccitazioni su altri stati o processi di trasferimento di carica. La seconda rileva la variazione di alcune proprietà ottiche, quali riflettività e trasmissività, fornendo un quadro più generale della risposta transiente del materiale all’impulso laser. L’output finale - per la cui realizzazione concreta occorrerà ancora qualche anno - consisterà in una modellizzazione di device fotovoltaici altamente performanti.
Nel frattempo, l’ambito di ricerca si conferma al centro di uno sforzo internazionale. Lo dimostrano l’istituzione da parte dell’Unione europea dell’European della Quantum technology flagship (2016) e della National quantum initiative, promossa dagli Stati Uniti d’America a partire dal 2019.
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