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Solar Energy Conversion in Molecular Multi-Junctions

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Celle solari organiche potrebbero trasformare lo stoccaggio dell’energia rinnovabile

Il tentativo di sviluppare un combustibile pulito a partire semplicemente da acqua, luce solare e anidride carbonica e di utilizzarlo per lo stoccaggio di energia rinnovabile ha preso una nuova ed entusiasmante piega. Scienziati finanziati dall’UE hanno sintetizzato per la prima volta materiali organici in grado di convertire l’energia solare in combustibile a idrogeno in modo più efficiente rispetto al passato.

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Nonostante il potenziale insito in qualsiasi tecnologia fotovoltaica di ridurre le emissioni di carbonio, lo stoccaggio dell’energia generata è uno dei maggiori ostacoli all’adozione delle energie rinnovabili. Alcune prime idee concrete riguardo allo stoccaggio dell’energia solare nei legami chimici delle molecole, proprio come l’idrogeno molecolare, stanno già prendendo forma. Lo stoccaggio dell’idrogeno è possibile grazie a dispositivi chiamati elettrolizzatori. Utilizzando l’elettricità, idealmente ottenuta dall’energia solare, gli elettrolizzatori scindono l’acqua in ossigeno e idrogeno, un combustibile privo di carbonio. Una seconda serie di dispositivi chiamati celle a combustibile può poi riconvertire l’idrogeno in elettricità per alimentare i veicoli o immetterla nella rete.

Fotosintesi artificiale messa in pratica

Con il finanziamento dell’UE, attraverso una sovvenzione del Consiglio europeo della ricerca (CER), i ricercatori del progetto TripleSolar hanno dimostrato un dispositivo multigiunzione realistico, composto da tre singole celle solari sovrapposte, che sposta l’acqua solare che si scinde fuori dal laboratorio e la inserisce in applicazioni pratiche. In un primo momento, il team del progetto ha dimostrato una foglia artificiale realizzata con materiali organici che converte la luce solare in idrogeno con un’efficienza prossima al 5,5 %. A parte l’efficienza di scissione dell’acqua da record, ciò che rende questa foglia artificiale diversa da altri tentativi di produrre idrogeno utilizzando la luce del sole è il fatto che utilizza materiali a basso costo e facilmente reperibili. «La nostra nuova foglia artificiale organica è un trampolino di lancio per lo sviluppo di soluzioni energetiche più reali e sostenibili per le prossime generazioni. Convertire la luce solare in cariche elettriche e stoccare immediatamente l’energia aiuterà a risolvere il problema delle intermittenze non omogenee della fornitura di energia rinnovabile in futuro», osserva il beneficiario del CER e ricercatore principale René Janssen. Inoltre, TripleSolar ha dimostrato, parallelamente alle celle solari a tripla giunzione, la prima cella solare organica a quadrupla giunzione composta da quattro materiali semiconduttori organici. L’efficienza di conversione energetica delle celle solari organiche ha superato rispettivamente il 10 % e il 7,5 %.

Una maggiore comprensione del meccanismo di fotoconversione

Le celle solari organiche sono una delle tecnologie di conversione dell’energia più promettenti. Grazie all’abbondanza di materie prime, ai bassi costi di produzione, al peso ridotto, alla flessibilità e alla fabbricazione su larga scala, potrebbero diventare una valida alternativa alle celle solari convenzionali con substrati di silicio. Le attuali celle solari organiche possono raggiungere efficienze superiori al 15 %. Le architetture di celle solari multigiunzione possono aumentare ulteriormente tale efficienza fino a oltre il 20 %. Raggiungere questi alti tassi di efficienza è una sfida enorme che richiede di spingere ogni singola fase del processo di conversione ai suoi limiti intrinseci per ridurre sostanzialmente le perdite di energia. TripleSolar ha studiato e progettato nuove molecole e polimeri organici funzionali da utilizzare nei dispositivi a celle solari multigiunzione. «La nostra ricerca si è concentrata sul chiarire i dettagli meccanicistici del processo di fotoconversione (come trasporto degli eccitoni e delle cariche). Questa nuova intuizione ha aiutato nella progettazione di materiali che convertono la luce solare in elettricità e accumulano l’energia generata in molecole come l’idrogeno in modo più efficiente», spiega Janssen. A differenza delle celle solari a singola giunzione, le celle solari multigiunzione generano un elevato potenziale chimico che consente la scissione dell’acqua in idrogeno e ossigeno. Studiando i meccanismi che controllano la struttura nanometrica 3D e le proprietà elettroniche degli strati assorbitori, i ricercatori del progetto hanno dimostrato l’efficienza dei dispositivi da solare a elettricità, da solare a idrogeno e da solare a monossido di carbonio. «L’efficienza raggiunta con le nostre celle solari multigiunzione organiche è ancora inferiore rispetto a quella delle loro controparti inorganiche, che è di circa il 20 %. Ulteriori ricerche miglioreranno la tecnologia delle celle solari organiche in termini di efficienza, stabilità e costi, contribuendo in ultima analisi alla loro diffusione su larga scala», conclude Janssen.

Parole chiave

TripleSolar, idrogeno, cella solare organica, energia rinnovabile, multigiunzione, foglia artificiale, stoccaggio di energia

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