I ricercatori della Stanford University hanno sviluppato nuovi materiali fotovoltaici da utilizzare in applicazioni mobili, da dispositivi indossabili autoalimentati e sensori ad aerei leggeri e veicoli elettrici; i ricercatori hanno raggiunto efficienze record in un promettente gruppo di materiali fotovoltaici. Gli scienziati hanno portato alla ribalta i cosiddetti TMD “Transition Metal Dichalgonides”.
Uno dei principali vantaggi dei TMD è che assorbono livelli altissimi della luce solare che colpisce la loro superficie rispetto ad altri materiali solari.
Celle solari in Transition metal dichalcogenide su un substrato flessibile in poliammide. Credito: Koosha Nassiri Nazif
Koosha Nassiri Nazif, dottorando in ingegneria elettrica a Stanford e co-autore principale di uno studio pubblicato nell’edizione del 9 dicembre di Nature Communications lo ha analizzato quando ha detto:
“Immaginate un drone autonomo che si alimenta da solo con un array solare in cima alla sua ala che è 15 volte più sottile di un pezzo di carta. Questa è la promessa dei TMD”.
Sezione schematica del dispositivo. Credito: Koosha Nassiri Nazif
La ricerca di nuovi materiali si basa sul fatto che il silicio, indubbiamente il re dei materiali solari, è troppo pesante, ingombrante e rigido per applicazioni che richiedono flessibilità, leggerezza e alta potenza. Gli esempi sono dispositivi indossabili e sensori o veicoli aerospaziali ed elettrici.
Un professore di ingegneria elettrica e autore senior del documento, Krishna Saraswat, ha spiegato ulteriormente questo quando ha detto: “Il silicio costituisce il 95% del mercato solare oggi, ma è lontano dalla perfezione. Abbiamo bisogno di nuovi materiali che siano leggeri, pieghevoli e, francamente, più ecologici”.
I TMD portano all’equazione un’alternativa competitiva, con esperimenti di ricerca passati e presenti che lottano per convertire più del 2 per cento che assorbono in elettricità. Ma il numero sta chiudendo al 3o per cento con i pannelli solari del silicio e per essere usato ampiamente, TMD interverrà per chiudere ulteriormente quel divario.
C’è già un’efficienza di conversione di potenza del 5,1 per cento con il modello Standford, con gli autori del progetto che affermano che potrebbero raggiungere un’efficienza del 27 per cento con ottimizzazioni ottiche ed elettriche, una cifra che sarebbe alla pari con i migliori pannelli solari del mondo.
Il prototipo ha raggiunto un rapporto potenza-peso 100 volte maggiore di qualsiasi TMD ancora sviluppato, un rapporto importante per applicazioni mobili, come droni, veicoli elettrici e la capacità di caricare attrezzature di spedizione in movimento. Prendendo in considerazione la misura della potenza elettrica in uscita per unità di peso della cella solare, il prototipo ha prodotto 4,4 watt per grammo, una cifra significativa che si allinea con altre celle solari a film sottile attuali, compresi altri prototipi sperimentali.
“Pensiamo di poter aumentare questo rapporto cruciale di altre dieci volte attraverso l’ottimizzazione”, ha detto Saraswat, notando che il team ha stimato che il limite pratico delle loro celle TMD è un notevole 46 watt per grammo.
Uno dei lati negativi del TMD è comunque legato alle complessità ingegneristiche della produzione di massa. Lo strato di TMD si danneggia quando lo strato ultrasottile di TMD viene trasferito su un materiale flessibile di supporto.
Alwin Daus, un co-autore principale sullo studio con Nassiri Nazif, mentre escogita il processo di trasferimento che fissa le matrici solari sottili di TMD al substrato flessibile, ha notato che la sfida tecnica era considerevole. Daus ha aggiunto che c’è un passo coinvolto nel trasferimento dello strato di grafene atomicamente sottile su un substrato flessibile spesso solo pochi micron.
Questo processo nodoso di fare questo avrà TMD completamente incorporato nel substrato flessibile portando ad una maggiore durata. Il team ha poi proceduto a testare la flessibilità e la robustezza dei loro dispositivi piegandoli intorno a un cilindro di metallo spesso meno di un terzo di pollice.
“Potenti, flessibili e durevoli, i TMD sono una nuova direzione promettente nella tecnologia solare”, ha concluso Nassiri Nazif.
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