I ricercatori della Università della California a Berkeley hanno però recentemente suggerito – e dimostrato – un concetto controintuitivo: le celle solari, per raggiungere la massima efficienza teoricamente ottenibile, dovrebbero funzionare in modo simile ai LED, ovvero essere in grado non solo di assorbire la luce, ma anche di emetterla.

L’efficienza delle attuali celle fotovoltaiche è ancora lontana dal limite teorico. Fin dai primi anni sessanta gli scienziati sono stati in grado di calcolare il limite massimo dell’energia assorbibile da una cella fotovoltaica.

Questo valore, in condizioni ideali, è circa il 33.5% per una cella mono-giunzione, come ad esempio le comuni celle in silicio utilizzate nei pannelli fotovoltaici commerciali. Ma se la teoria ci dice che il 33.5% della luce solare può essere convertito in energia elettrica, a livello pratico, dopo oltre cinquant’anni da questa scoperta, gli scienziati non sono stati ancora in grado di avvicinarsi significativamente a questo traguardo. Il record di efficienza delle celle piane mono-giunzione si assesta infatti intorno al 26% (dato del 2010), e finora solo le complesse celle multi-giunzione sono arrivate a catturare oltre il 33% dell’energia solare. Sfruttare la luminescenza potrebbe però portare ad un aumento di efficienza.

Recentemente, il team di Berkley ha cercato di comprendere il motivo alla base di questo divario tra il risultato pratico e quello teorico, ed è giunto a una conclusione semplice, anche se apparentemente paradossale, considerando il legame esistente tra i fenomeni di assorbimento ed emissione della luce da parte di un materiale. Secondo i ricercatori, utilizzando il fenomeno della luminescenza dei materiali è possibile progettare celle fotovoltaiche molto più efficienti di quelle attuali.

 È da notare che la teoria secondo la quale la luminescenza è legata al voltaggio non è affatto nuova, ma non è mai stata presa in considerazione per la progettazione delle celle fotovoltaiche. In pratica, se una cella solare è progettata per emettere luce, e non solo per assorbirla, durante il processo di conversione fotovoltaica i fotoni non si disperdono più all’interno della cella stessa, ed è possibile raggiungere valori di voltaggio molto più elevati.  “Ciò che abbiamo dimostrato,” sostiene Eli Yablonovitch, professore di Ingegneria Elettrica e capo del team di ricerca di Berkeley, “è che quando una cella fotovoltaica è anche in grado di emettere fotoni, oltre che di assorbirli, essa può raggiungere una differenza di potenziale molto elevata, con conseguente aumento dell’efficienza di conversione della luce solare.”

Ma come funziona una cella LED-Type?

Le celle solari producono elettricità quando i fotoni che provengono dal sole colpiscono il materiale semiconduttore presente all’interno della cella stessa. L’energia contenuta nei fotoni in pratica induce un flusso di elettroni liberi attraverso la cella, generando una differenza di potenziale elettrico e quindi un passaggio di corrente, ottenibile grazie alla presenza dei contatti metallici superiori ed inferiori. I fotoni solari che impattano sul materiale possono però contemporaneamente dare luogo anche a un altro fenomeno, l’effetto di luminescenza, per il quale il materiale stesso incomincia ad emettere fotoni.

La luminescenza è infatti un fenomeno fisico che consiste nell’emissione di fotoni di luce visibile o invisibile da parte di materiali eccitati da cause diverse, e nasce dalla proprietà di alcuni materiali di assorbire quantità discrete di energia, che vengono successivamente restituite sotto forma di fotoni di energia inferiore.

L’idea alla base delle celle LED-Type è che un dispositivo progettato per favorire l’emissione dei fotoni di luminescenza è in grado di raggiungere una differenza di potenziale elettrico ben superiore a quella dell’analoga cella fotovoltaica tradizionale. Dall’idea al prototipo. Lo scorso anno, l’azienda Alta Devices, co-fondata dallo stesso Prof. Yablonovitch, ha sfruttato questo concetto per creare un prototipo di cella solare di arseniuro di gallio (GaAs), il quale ha battuto il record di efficienza relativo alla categoria delle celle mono-giunzione, passando dal 26% al 28.3%. L’azienda è riuscita a raggiungere questo traguardo progettando la cella in modo da agevolare l’emissione di fotoni generati all’interno del materiale, e incrementando, tra le altre cose, la riflettività dello specchio posteriore. Yablonovitch sostiene che l’applicazione di questo principio consentirà ai ricercatori di arrivare in pochi anni a celle solari di efficienza prossima al 30%, con importanti applicazioni a livello pratico. Il team di Berkeley presenterà i suoi risultati alla Conference on Lasers and Electro Optics che si terrà il 6-11 Maggio 2012 a San Jose, California, e in tale occasione saranno anche proposti possibili filoni di sviluppo di questa nuova tecnologia.

Spazio in collaborazione con Crit-Research