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1) LE CELLE A NANOCRISTALLI

Le celle solari a nanocristalli - o celle solari quantum dots (cioè "a"punti quantici") - sono celle solari che nella loro forma più semplice sono basate su un substrato di silicio ricoperto di un sottilissimo strato di nanocristalli quantistici (o quantum dots) ottenuto con una nuova e più economica tecnologia di film sottile. Il principio di funzionamento delle celle a nanocristalli è stato individuato nel 1990 dal chimico svizzero Michael Graetzel che, ispirandosi alla fotosintesi clorofilliana osservata in natura, ha posto sulla superficie di un semiconduttore - fatto di nanocristalli di biossido di titanio (TiO₂) - uno strato di molecole organiche trattate e "dedicate" proprio ad assorbire la luce. Sebbene oggi la ricerca sulle celle a nanocristalli sia solo all'inizio, in futuro il fotovoltaico basato sui nanocristalli potrà offrire vantaggi quali la flessibilità meccanica (attraverso composti di polimeri e nanocristalli), bassi costi, elevata efficienza di conversione della luce in energia elettrica (fino al limite teorico calcolato, superiore al 50%).  






2) IL POTENZIALE DEL NUOVO "FILM SOTTILE"

Le nanotecnologie, dunque, affrontando uno ad uno i vari problemi legati alle celle innovative su cui si fa oggi ricerca, permetteranno nei prossimi anni di realizzare dei film sottili (e in alcuni casi anche delle vernici) di celle fotovoltaiche leggere, robuste, flessibili, efficienti e potenzialmente poco costose. Ad esempio, le nanostrutture composte da quantum dots in silicio di diverse dimensioni - ciascuna delle quali interagisce con una determinata frequenza dello spettro solare - potranno consentire di sfruttare con grande efficienza una larga porzione dello spettro della luce solare, un po' come avviene nelle celle multigiunzione usate nei pannelli e nei sistemi fotovoltaici a concentrazione. Più in generale, realizzando opportuni strati di materiale sottili a livello di nanoscale, e sovrapponendo fra loro più strati di diverso spessore sensibili a frequenze di luce diverse, con le celle solari di nuova generazione sarà possibile assorbire fino a 10 volte più energia di quanto inizialmente fosse ritenuto possibile.     
 



3) LE CELLE SOLARI IBRIDE

Le celle ibride sono il principale tipo di celle solari organiche su cui oggi si fa ricerca, e combinano i vantaggi degli innovativi semiconduttori organici con quelli dei classici semiconduttori inorganici. Nelle celle solari tradizionali, cioè quelle al silicio cristallino, si usano due strati di semiconduttori, uno con eccesso di elettroni (strato n) e uno con eccesso di "lacune" (strato p): quando gli elettroni della cella assorbono un fotone di luce, si genera una coppia "lacuna-elettrone" che induce un flusso di corrente. Il fotovoltaico ibrido - ad es. del tipo "polimero-nanoparticelle" - utilizza, al posto della "giunzione p-n" fra gli strati p ed n, una giunzione fra uno strato di polimeri organici e uno strato di materiali inorganici per assorbire la luce e per trasportare gli elettroni, e dunque la corrente. La giunzione viene creata assemblando su una matrice polimerica delle nanoparticelle di semiconduttore inorganico, secondo una geometria che massimizza l'efficienza del dispositivo, attualmente intorno ad appena il 2-3%.






4) MIGLIORARE L'EFFICIENZA CON I "QUANTUM DOTS"

In parte, i ricercatori hanno migliorato le prestazioni delle celle solari ibride "regolando" le proprietà dei nanomateriali in modo tale da fargli svolgere al meglio una particolare applicazione, come ad es. l'assorbimento della luce. Quando la dimensione di un materiale diventa comparabile con l'estensione spaziale degli elettroni che lo occupano, tali materiali esibiscono effetti di "confinamento quantistico": in pratica, proprietà ottiche ed elettriche particolari. Per esempio, certi nanocristalli semiconduttori inorganici permettono di assorbire fotoni di luce di bassa energia (ad es. luce ultravioletta) e di convertirli in qualche modo in fotoni di energia più alta, in grado di dar luogo al normale processo fotovoltaico che si svolge in una cella polimerica. I materiali con tali proprietà sono comunemente noti come "punti quantici" (o quantum dots), a indicare che sono confinati dal punto di vista quantistico in tre dimensioni. L'utilizzo dei nanomateriali quantistici permette, quindi, di migliorare l'efficienza di una cella.  




5) LE TRE GENERAZIONI DI CELLE SOLARI

Le celle fotovoltaiche "di terza generazione" sono celle solari potenzialmente capaci di superare i limiti delle celle tradizionali: sia quelle di "prima generazione" (basate sul silicio cristallino e usate nei comuni pannelli monocristallini e policristallini), sia quelle di "seconda generazione" (basate sulla riduzione dei costi delle celle di prima generazione mediante l'impiego di tecnologie di "film sottile", usate negli attuali pannelli a silicio amorfo o, più in generale, nei moduli fotovoltaici a film sottile). A differenza delle generazioni precedenti, tuttavia, la terza generazione è abbastanza ambigua dal punto di vista delle tecnologie e dei materiali che utilizza, poiché comprende una varietà di approcci diversi che teoricamente hanno il potenziale per raggiungere l'obiettivo desiderato, e che includono, fra gli altri: le celle polimeriche e il fotovoltaico organico, le celle ibride, le celle multigiunzione (usate nel fotovoltaico a concentrazione) e a tandem, le celle a nanocristalli, le celle basate sui quantum dots, etc.  

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