Fotovoltaico: più luce con il grafene

Un impulso luminoso per moltiplicare fiumi di elettroni, aumentando le potenzialità del fotovoltaico. Ad osservare per la prima volta il fenomeno un team di ricercatori dell’Istituto nanoscienze (Nano-Cnr) e dell’Istituto di fotonica e nanotecnologie (Ifn-Cnr) del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr).

Il grafene è oggi considerato il materiale più sottile del mondo, più forte e più conduttivo

Protagonista indiscusso è il grafene, non a caso considerato come il materiale più sottile del mondo, più forte e più conduttivo, oggi il migliore candidato a sostituire il silicio. Per questo la scoperta del grafene è valsa il Nobel ad Andre Geim e Kostya Novoselov dell’Università di Manchester. Numerosi i suoi possibili campi di applicazione, ma dà il meglio di sé quando è in compagnia. Come nel caso di alcuni cristalli altrettanto sottili – dello spessore di un atomo -, utili a dar vita ad un nuovo tipo di celle solari: più sottili, flessibili e meno costose di quelle tradizionali.

Queste strutture, messe a punto da un gruppo di ricerca internazionale coordinato dall’Università di Manchester, sono risultate essere tanto duttili da poter essere incorporate nelle pareti o nelle finestre. Il dispositivo, chiamato etero-struttura, è costituito da due cristalli di grafene e da un cristallo sottile di disolfuro di tungsteno. Quest’ultimo ha il compito di catturare la luce del sole, mentre al grafene tocca separare le cariche elettriche, generando corrente.

Ora il Consiglio Nazionale delle Ricerche, in collaborazione con Politecnico di Milano, Scuola normale superiore e Università di Cambridge e Manchester, è venuto a capo di nuovi risultati, pubblicati sulla prestigiosa rivista Nature Communications. In sostanza si è visto che il grafene, sottoposto a brevi impulsi luminosi, innesca un processo di moltiplicazione a cascata degli elettroni. Il che significa: più elettroni, più corrente elettrica; dunque dispositivi fotovoltaici ad alte e maggiori prestazioni.

Il grafene, sottoposto a brevi impulsi luminosi, innesca un processo di moltiplicazione a cascata degli elettroni

«Un aspetto ancora poco noto, per esempio, è cosa accade agli elettroni dopo che un lampo intenso e ultra-breve di luce li ha fortemente perturbati: abbiamo pertanto indagato le primissime fasi successive alla foto-eccitazione, quando gli elettroni, riscaldati dalla luce a temperature di migliaia di gradi, si raffreddano in un tempo brevissimo», spiega Marco Polini del Nano-Cnr di Pisa.

I ricercatori hanno dimostrato che in questo caso i fotoni incidenti (particelle “neutre”) innescano un processo di ‘moltiplicazione a cascata’ degli elettroni. «Un fenomeno noto come carrier multiplication, grazie al quale, per ciascun fotone assorbito dal grafene, più elettroni si mettono in moto e incrementano la corrente elettrica – aggiunge Polini -.

Un pezzo di grafite. Da questo, in laboratorio, si ottiene il grafene (strato monoatomico di atomi di carbonio)

La possibilità di innescare questo fenomeno potrebbe migliorare le prestazioni delle tecnologie fotovoltaiche e dei dispositivi optoelettronici in termini di efficienza, robustezza, risparmio energetico».

Intanto i gruppi autori dello studio, hanno un ruolo di primo piano nella Graphene Flagship, il progetto europeo premiato con un maxi-finanziamento di un miliardo di euro per i prossimi dieci anni, che ha preso il via il primo ottobre scorso e coinvolge oltre 70 partner scientifici e industriali. L’obiettivo è quello di portare il grafene dal laboratorio di ricerca alla vita di tutti i giorni, attraverso tecnologie da applicarsi in una più vasta gamma di settori.

Articoli correlati