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Il grafene consente l’evoluzione delle celle solari polimeriche

L’energia proveniente dalla luce solare che colpisce la Terra in un’ora è maggiore di tutta l’energia consumata dal pianeta in un anno. La tecnologia delle celle solari organiche che sfruttano il grafene potrebbe rendere la raccolta di questa energia solare sia efficace che efficiente in termini di costi.
Il grafene consente l’evoluzione delle celle solari polimeriche
La prima e la seconda generazione di celle solari sono principalmente basate sul silicio. Le celle solari organiche (polimeriche) promettono importanti benefici, come ad esempio la flessibilità e la riduzione dei costi per superfici molto ampie, grazie a consolidati metodi di lavorazione dei polimeri.

Gli elettrodi di grafene con la loro eccellente conduttività sono stati recentemente identificati come un promettente candidato per ottenere efficienti celle solari a eterogiunzione diffusa (bulk heterojunction, BHJ) proposte oltre 25 anni fa. Tuttavia, i meccanismi e gli effetti dell’integrazione con un film polimerico sottile devono essere ancora determinati.

Il progetto GO-NEXTS (Graphene doping and texturing in efficient electrodes for organic solar cells), finanziato dall’UE, ha strutturato elettrodi di contatto in grafene che agiscono come cristalli fotonici. I cristalli fotonici sono delle strutture dielettriche periodiche con una banda proibita che impedisce la propagazione di alcune lunghezze d’onda della luce.

I cristalli possono essere paragonati alla banda proibita di energia tra elettroni di valenza e conduzione dei semiconduttori. Questo consente un controllo di precisione sulla radiazione elettromagnetica non possibile con l’ottica convenzionale. Ciò permetterà dei miglioramenti senza precedenti nell’efficienza generale e nelle prestazioni delle celle solari BHJ.

I ricercatori hanno iniziato concentrandosi sulla simulazione e fabbricazione dei singoli componenti. In particolare, gli scienziati hanno studiato il ruolo dei contatti tra grafene e metallo, e hanno modellato le proprietà elettroniche del grafene e le proprietà ottiche del contatto a reticolo. Assieme a valutazioni sugli effetti di vari parametri di progettazione, come ad esempio lo spessore dello strato, i risultati hanno mostrato la strada verso promettenti attività di fabbricazione.

I partner del progetto hanno studiato i processi di deposizione chimica da fase vapore (chemical vapour deposition, CVD) per il grafene su vari substrati e della crescita di grafene su substrati testurizzati di cristalli fotonici. La CVD a bassa temperatura non è stata in grado di produrre grafene di una qualità sufficientemente alta per le applicazioni fotovoltaiche. Al contrario, il processo di crescita di grafene è adesso vicino allo stato dell’arte.

GO-NEXTS fornirà materiali, processi di fabbricazione e architetture dei dispositivi per gli elettrodi trasparenti. Tra le più probabili applicazioni che emergeranno nei prossimi anni ci sono quelle che usano elettrodi trasparenti e flessibili in grafene, come ad esempio le celle solari, i diodi fotoemittenti (LED), i diodi organici a emissione di luce (OLED), touchscreen e schermi a cristalli liquidi (LCD), che attualmente sono fabbricati con ossido di indio-stagno (ITO) polverizzato.

L’Europa è tra i leader della ricerca sul grafene e i risultati raggiunti tramite GO-NEXTS consentiranno di contribuire ulteriormente agli avanzamenti in questo campo. I risultati del progetto aiuteranno quindi a garantire la competitività con gli Stati Uniti e con l’Asia nel mercato tecnologico basato sul grafene. La loro applicazione nei prodotti di consumo potrebbe potenzialmente cambiare la vita di tutti i giorni, avendo un forte impatto sulla futura ricerca e commerciabilità del grafene.

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Keywords

Celle solari polimeriche, grafene, eterogiunzione diffusa, GO-NEXT, cristalli fotonici, deposizione chimica da fase vapore, ossido di indio-stagno