Negli ultimi vent’anni, la Germania ha compiuto passi da gigante nel campo dell’energia solare. Da una produzione di energia elettrica che nel 2000 vedeva il solare contribuire per meno dell’1%, si è arrivati a una quota che nel 2022 ha raggiunto l’11%. Questo notevole incremento è stato possibile grazie a una combinazione di incentivi finanziari per l’installazione di pannelli solari residenziali e a progressi tecnologici che hanno ridotto i costi di produzione dei pannelli stessi.
Con i mercati del petrolio e del gas naturale resi meno affidabili dai conflitti globali, l’energia solare si appresta a svolgere un ruolo ancora più importante per soddisfare il fabbisogno energetico della Germania nei prossimi anni. Nonostante la tecnologia solare abbia fatto grandi passi avanti negli ultimi venticinque anni, le celle solari dei pannelli contemporanei operano ancora con una efficienza media di circa il 22%.
Per migliorare l’efficienza delle celle solari, un team di ricerca guidato dal Prof. Wolf Gero Schmidt dell’Università di Paderborn sta utilizzando risorse di calcolo ad alte prestazioni (HPC) presso il Centro di Calcolo ad Alte Prestazioni di Stoccarda (HLRS) per studiare come queste celle convertano la luce in elettricità. Di recente, il team ha utilizzato il supercomputer Hawk dell’HLRS per determinare come la progettazione di determinate impurità
Il team ha scoperto che certi difetti del sistema, introdotti strategicamente, migliorano il trasferimento degli eccitoni piuttosto che ostacolarlo. Gli eccitoni, che sono la coppia formata da un elettrone eccitato otticamente e dal “buco” elettronico che lascia dietro di sé, possono essere controllati e mossi all’interno delle celle solari in modo che venga catturata più energia. Questi risultati sono stati pubblicati sulla rivista Physical Review Letters.
La maggior parte delle celle solari, così come molti dispositivi elettronici moderni, sono principalmente composte da silicio. Dopo l’ossigeno, il silicio è il secondo elemento chimico più abbondante sulla Terra in termini di massa. Circa il 15% del nostro pianeta è costituito da silicio, incluso il 25,8% della crosta terrestre. Il materiale di base per la produzione di energia rispettosa del clima è quindi abbondante e disponibile quasi ovunque.
Tuttavia, questo materiale presenta alcuni svantaggi nella cattura della radiazione solare e nella sua conversione in elettricità. Nelle celle solari tradizionali a base di silicio, le particelle di luce, chiamate fotoni, trasferiscono la loro energia agli elettroni disponibili nella cella solare. La cella utilizza quindi questi elettroni eccitati per creare una corrente elettrica.
Il problema? I fotoni ad alta energia forniscono molta più energia di quella che può essere trasformata in elettricità dal silicio. I fotoni della luce violetta, ad esempio, hanno circa tre elettronvolt (eV) di energia, ma il silicio è in grado di convertire solo circa 1,1 eV di quell’energia in elettricità. Il resto dell’energia viene perso sotto forma di calore, il che rappresenta sia un’opportunità mancata per catturare energia aggiuntiva sia una riduzione delle prestazioni e della durata delle celle solari.
Negli ultimi anni, gli scienziati hanno iniziato a cercare modi per deviare o catturare altrimenti parte di quell’energia in eccesso. Mentre vengono esplorati diversi metodi, il team di Schmidt si è concentrato sull’uso di uno strato molecolare sottile di tetracene, un altro materiale semiconduttore organico, come strato superiore di una cella solare.
A differenza del silicio, quando il tetracene riceve un fotone ad alta energia, divide gli eccitoni risultanti in due eccitazioni a bassa energia in un processo noto come fissione singoletto. Posizionando uno strato di interfaccia progettato con cura tra il tetracene e il silicio, gli eccitoni a bassa energia risultanti possono essere trasferiti dal tetracene al silicio, dove la maggior parte della loro energia può essere convertita in elettricità.
Che si utilizzi il tetracene o un altro materiale per migliorare le celle solari tradizionali, i ricercatori si sono concentrati sul tentativo di progettare l’interfaccia perfetta tra le parti costituenti di una cella solare per fornire le migliori condizioni possibili per il trasferimento degli eccitoni.
Schmidt e il suo team utilizzano simulazioni di dinamica molecolare ab initio (AIMD) per studiare come le particelle interagiscono e si muovono all’interno di una cella solare. Con l’accesso a Hawk, il team è in grado di eseguire calcoli computazionalmente costosi per osservare come diverse centinaia di atomi e i loro elettroni interagiscano tra loro. Il team utilizza simulazioni AIMD per far avanzare il tempo a intervalli di femtosecondi per comprendere come gli elettroni interagiscono con i buchi elettronici e altri atomi nel sistema. Come altri ricercatori, il team ha cercato di utilizzare il suo metodo computazionale per identificare imperfezioni nel sistema e cercare modi per migliorarlo.
Alla ricerca dell’interfaccia perfetta, hanno trovato una sorpresa: un’interfaccia imperfetta potrebbe essere migliore per il trasferimento degli eccitoni. In un sistema atomico, gli atomi che non sono completamente saturi, nel senso che non sono completamente legati ad altri atomi, hanno cosiddetti “legami pendenti”. I ricercatori normalmente assumono che i legami pendenti portino a inefficienze nelle interfacce elettroniche, ma nelle sue simulazioni AIMD, il team ha scoperto che i legami pendenti del silicio favorivano effettivamente un ulteriore trasferimento degli eccitoni attraverso l’interfaccia.
“Il difetto implica sempre che ci sia qualcosa di indesiderato in un sistema, ma questo non è veramente vero nel nostro caso”, ha detto il Prof. Uwe Gerstmann, professore dell’Università di Paderborn e collaboratore del progetto. “Nella fisica dei semiconduttori, abbiamo già utilizzato strategicamente difetti che chiamiamo donatori o accettori, che ci aiutano a costruire diodi e transistor. Quindi, strategicamente, i difetti possono certamente aiutarci a costruire nuovi tipi di tecnologie.”
Il Dr. Marvin Krenz, ricercatore post-dottorato all’Università di Paderborn e autore principale dell’articolo del team, ha sottolineato la contraddizione tra i risultati del team e lo stato attuale della ricerca sulle celle solari. “È un punto interessante per noi che la direzione attuale della ricerca stava andando verso la progettazione di interfacce sempre più perfette e la rimozione dei difetti a tutti i costi. Il nostro articolo potrebbe essere interessante per la comunità di ricerca più ampia perché indica una strada diversa da percorrere quando si tratta di progettare questi sistemi”, ha detto.
Armato di questa nuova intuizione, il team ora prevede di utilizzare la sua futura potenza di calcolo per progettare interfacce che siano perfettamente imperfette, per così dire. Sapendo che i legami pendenti del silicio possono aiutare a favorire questo trasferimento di eccitoni, il team vuole utilizzare AIMD per progettare in modo affidabile un’interfaccia con un migliorato trasferimento di eccitoni. Per il team, l’obiettivo non è progettare la cella solare perfetta in una notte, ma continuare a rendere le generazioni successive di tecnologia solare migliori.
“Sono fiducioso che continueremo a migliorare gradualmente l’efficienza delle celle solari nel tempo”, ha detto Schmidt. “Negli ultimi decenni, abbiamo visto un aumento medio annuo dell’efficienza di circa l’1% nelle varie architetture delle celle solari. Lavori come quello che abbiamo svolto qui suggeriscono che ulteriori aumenti possono essere attesi in futuro. In linea di principio, un aumento dell’efficienza di un fattore 1,4 è possibile attraverso l’utilizzo coerente della fissione singoletto.”
