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1) L'EVOLUZIONE DELLE CELLE POLIMERICHE 

L'attenzione dei ricercatori a caccia di alternative alle celle solari tradizionali si è da tempo focalizzata sulle celle polimeriche, o "plastiche", sviluppate fin dagli anni Settanta, quando sono emersi i polimeri conduttori. Tuttavia, le proprietà elettriche e ottiche di tali polimeri non erano comparabili con quelle dei classici materiali semiconduttori cristallini usati nelle comuni celle al silicio, perciò inizialmente le prestazioni sono state molto scarse, specie riguardo l'efficienza. Fortunatamente, in seguito sono stati prodotti una varietà di nanomateriali - materiali che hanno almeno una dimensione misurata sulla nanoscala, o 10^-9 metri - che hanno permesso significativi miglioramenti nelle celle polimeriche. Così, oggi l'interesse degli scienziati va soprattutto alle celle polimeriche organiche - cioè basate sul carbonio - e, in particolare, agli approcci ibridi, in cui dei nanomateriali semiconduttori fotoattivi inorganici vengono introdotti in celle FV basate su una sottile pellicola polimerica organica che fa da matrice.






2) LA RIVOLUZIONE DEI NANOMATERIALI

Le celle solari polimeriche attuali rappresentano un esempio concreto di applicazione delle nanotecnologie - o, più appropriatamente, di nanomateriali sintetici - per migliorare un dispositivo: in questo caso, una cella fotovoltaica. Molti dei nanomateriali che si stanno studiando per un utilizzo nelle celle solari polimeriche svolgono, di fatto, più ruoli. Nelle celle polimeriche non-ibride, i nanomateriali usati permettono di assorbire una più larga porzione dello spettro solare, ma possono essere utilizzati anche per liberare e trasportare i portatori di carica elettrica creati dall'assorbimento della luce da parte del polimero. Nelle celle polimeriche ibride (cioè che utilizzano sia semiconduttori "organici", ovvero basati sul carbonio, sia normali semiconduttori inorganici), i ricercatori usano nanoparticelle (cioè particelle grandi appena 1-100 x 10^-9 metri), "nanotubi" o altre forme di strutture molecolari al carbonio per cercare di migliorare l'efficienza e di superare gli altri svantaggi associati alle celle polimeriche base.




3) 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.  





4) 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%).  




5) 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.     
 

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