Nanoparticles and rare earth ions to improve the photovoltaic conversion efficiency of thin film solar cells.

Project leaders

Francesco Enrichi, Adel Bouajaj

Agreement

MAROCCO - CNRST - Centre National pour la Recherche Scientifique et Technique

Call

CNR/CNRST 2014-2015

Department

Physical sciences and technologies of matter

Thematic area

Physical sciences and technologies of matter

Status of the project

New

Research proposal

L'energia solare è una fonte inesauribile di energia nel rispetto dell'ambiente. Per questo da diversi anni è oggetto di intensa attività di ricerca e sviluppo in tutto il mondo. Nonostante siano stati compiuti progressi significativi, le prestazioni delle celle fotovoltaiche (PV) sono ancora basse, portando ad un rapporto costo/watt elevato rispetto al costo dell'energia tradizionale. E' per questa ragione che è emerso il concetto di celle solari di nuova generazione, il cui scopo è di aumentare l'efficienza di conversione della cella mantenendo un costo finale controllato. Nell'ambito di questa tematica il presente progetto di ricerca verrà sviluppato in diretto contatto con la multinazionale dell'energia Meridionale Impianti, che ha forti interessi di crescita nel settore fotovoltaico in Marocco. Il progetto punta ad aumentare l'efficienza di conversione attraverso lo sviluppo ed ottimizzazione di strutture e materiali ottici assolutamente innovativi, sfruttando le tecniche offerte dalle nanotecnologie.
L'impiego di celle solari a film sottile ha permesso di migliorare la competitività dell'energia solare riducendo la quantità e quindi i costi del materiale attivo. Tuttavia il silicio cristallino, il materiale più comune, soffre del fatto che l'assorbimento della luce solare incidente diminuisce sensibilmente per strati inferiori a qualche micron di spessore e tecniche di ingegneria ottica devono essere attuate per mantenere l' assorbimento ad un livello elevato. Ecco perché le celle solari a film sottile potrebbero trarre grande vantaggio dai progressi della nanofotonica: nano o micro-antenne in grado di concentrare la luce in prossimità della cella solare sarebbero infatti capaci di aumentarne le performance. A questo scopo si possono usare nanoparticelle metalliche, dato che quando un'onda di luce interagisce con una nanoparticella metallica sufficientemente piccola (diametro

Research goals

Il progetto, che verrà sviluppato in diretto contatto con la multinazionale Meridionale Impianti, leader in campo energetico, ha l'obiettivo di dimostrare la possibilità di aumentare l'efficienza di celle solari attraverso due approcci tecnologici innovativi basati sull'impiego delle nanotecnologie. Da un lato verranno impiegate antenne plasmoniche costituite da nanoparticelle metalliche per aumentare localmente l'intensità del campo elettromagnetico in corrispondenza alla regione attiva del dispositivo. Dall'altro, grazie alla realizzazione di strati sottili trasparenti drogati con terre rare, sarà possibile effettuare un'efficace conversione di frequenza per recuperare parte della radiazione elettromagnetica che cade al di fuori dalla finestra utile di assorbimento delle celle solari al silicio tradizionali.
L'impatto del progetto verrà validato sul campo attraverso le seguenti strategie:
- produzione e caratterizzazione dei film prodotti;
- implementazione del processo su celle fotovoltaiche;
- test di durata e di stabilità nel tempo;
- verifica del miglioramento di efficienza del sistema in relazione allo sfruttamento di effetti plasmonici e processi di downconversion energetici.

Ci si aspetta di sviluppare conoscenze e competenze nei settori descritti grazie anche al diretto coinvolgimento dell'importante realtà industriale che ha forti interessi commerciali in Marocco, e di raggiungere un significativo incremento di efficienza di conversione fotovoltaica. Attraverso la concentrazione del campo elettromagnetico mediata da strutture plasmoniche e la conversione spettrale dell'energia luminosa sarà inoltre possibile utilizzare celle a film sottile riducendo drasticamente la quantità di silicio utilizzata nella loro fabbricazione. Entrambi questi aspetti porteranno ad una significativa riduzione dei costi di conversione dell'energia solare e, allo stesso tempo, contribuiranno alla protezione dell'ambiente.

Last update: 14/10/2024