Un gruppo di scienziati dell’Istituto di Scienze Fisiche di Hefei dell’Accademia Cinese delle Scienze (CAS) ha fabbricato una cella solare basata su un assorbitore fatto di solfuro di rame e indio (CuInS2), un materiale che mostra un grande potenziale per le applicazioni fotovoltaiche grazie alle sue proprietà ottiche ed elettroniche regolabili, alla bassa tossicità e ai costi relativamente bassi.
Questo composto può essere facilmente sintonizzato da tipo n a tipo p semplicemente modificando il suo contenuto di calcogenuro ed è comunemente considerato una possibile alternativa non tossica ai semiconduttori a base di cadmio. Inoltre, il suo bandgap energetico è perfettamente adatto alla porzione visibile dello spettro di irradiazione solare.
La comunità scientifica ha sviluppato diverse strategie per migliorarne la stabilità e le proprietà, tra cui l’ingegneria morfologica e la formazione di etero-giunzioni per migliorare la separazione delle cariche, ma finora le tecnologie delle celle solari CuInS2 non sono riuscite a raggiungere la maturità commerciale.
Per questo motivo, i ricercatori del CAS hanno sviluppato array di nanobastoncini di biossido di titanio (TiO₂-NA) con spaziatura controllabile che, secondo quanto riferito, migliorano la cattura della luce, la separazione della carica e la raccolta dei portatori.
I ricercatori hanno dichiarato di essere riusciti a calibrare la densità numerica (ND) dei nanorods senza alterarne le caratteristiche dimensionali.
“I metodi di fabbricazione tradizionali collegano la densità, il diametro e la lunghezza delle barre: se si regola un parametro, gli altri si spostano di conseguenza, spesso influenzando l’efficienza del dispositivo”, hanno spiegato. “Estendendo con attenzione la fase di idrolisi di un film precursore, abbiamo dimostrato che le ‘catene di gel’ più lunghe si assemblano in nanoparticelle di anatasio più piccole. Quando il film di anatasio viene sottoposto a trattamento idrotermale, queste nanoparticelle di anatasio si convertono in loco in nanoparticelle di rutilo, che servono come semi per la crescita di nanobastoncini. La fase di idrolisi fornisce un modo efficace per controllare la densità delle barre senza alterare le dimensioni delle nanobastoncini”.
I film di TiO₂-NA sono stati fabbricati con diametro e altezza costanti e sono stati incorporati in celle solari CuInS₂ processate a bassa temperatura che hanno raggiunto un’efficienza di conversione di potenza del 10,44% quando testate in condizioni di illuminazione standard.
Attraverso un modello di densità volume-superficie (VSD), il team di ricerca ha osservato come la densità e la spaziatura delle barre influenzino la raccolta della luce, la separazione delle cariche e la raccolta dei portatori.
“Questa ricerca supera le limitazioni dei metodi tradizionali per la regolazione delle nanostrutture, stabilendo un sistema completo che collega la regolazione dei macroprocessi all’evoluzione della microstruttura e all’ottimizzazione delle prestazioni del dispositivo”, hanno dichiarato gli scienziati.
Il dispositivo fotovoltaico è stato descritto nello studio “Unveiling Growth and Photovoltaic Principles in Density-Controllable TiO2 Nanorod Arrays for Efficient Solar Cells”, pubblicato su small methods.
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