I ricercatori dell’Università di Padova e del National Renewable Energy Laboratory (NREL) – il principale laboratorio USA per le energie rinnovabili – hanno pubblicato di recente uno studio sul “Energy & Environmental Materials“.
Questa ricerca mostra come sottoponendo il silicio a brevissimi shock termici, attraverso l’induzione di impulsi laser, sia possibile realizzare una nuova tecnologia con cui creare celle fotovoltaiche ad alta efficienza. Grazie al laser si riesce a liquefare e ricristallizzare la superficie del silicio in tempi rapidissimi, dell’ordine di pochi miliardesimi di secondo. E’ possibile così ottenere materiali innovativi in grado di raccogliere la corrente fotovoltaica in maniera più efficiente.
Il problema attualissimo della crisi climatica ed energetica rende particolarmente urgente più che mai lo sviluppo e la diffusione di fonti energetiche rinnovabili a basso costo. Tra le varie energie rinnovabili, il fotovoltaico rappresenta una delle tecnologie da impiegare in uso sempre più massivo per un futuro realmente sostenibile.
L’uso delle celle voltaiche
L’energia solare è infatti una fonte pulita, rinnovabile e inesauribile: è possibile trasformarla in energia elettrica in modo diretto tramite celle fotovoltaiche, una tecnologia relativamente semplice e che ben si presta ad un impiego capillare e distribuito nel territorio. Le celle fotovoltaiche in commercio sono costituite di silicio, il secondo elemento per abbondanza presente sulla terra, il più importante semiconduttore, e si basano sulla capacità del materiale di assorbire la luce e convertirla in cariche elettriche.
Le celle separano le cariche negative da quelle positive (l’assorbimento della luce produce cariche di entrambi i segni) e le estraggono dal silicio, attraverso opportuni contatti posti sulle superfici, generando una corrente elettrica che possiamo poi sfruttare nella vita di tutti i giorni, ad esempio per alimentare elettrodomestici, cellulari, auto elettriche e altro.
La metodologia TopCon
Una cella voltaica è altamente efficiente se possiede una buona capacità di trasformare la luce solare in cariche elettriche, di separarle e di raccoglierle. Una metodologia estremante promettente, chiamata TopCon (tunnel oxide passivated contacts), si basa sull’inserimento ad una certa profondità sotto la superficie del silicio di un sottilissimo strato di ossido di silicio, con uno spessore di circa un nanometro, pari a un miliardesimo di metro.
Lo strato di ossido di silicio della cella consente, grazie ad un fenomeno quantistico noto come effetto tunnel, la separazione delle cariche e la loro successiva raccolta. Si spera così di riuscire entro pochi anni ad aumentare ulteriormente l’efficienza delle celle fotovoltaiche e, al tempo stesso, il contenimento dei costi di produzione.
Perché lo strato di silicio che si trova sopra l’ossido possa arrivare a raccogliere efficacemente le cariche, trasferendole ai contatti elettrici è necessario ‘drogarlo‘ (introdurre, tramite processi di diffusione ad alta temperatura, una certa quantità di atomi, detti appunto ‘droganti‘, che possono modificare opportunamente le proprietà del silicio).
Il progetto di collaborazione tra l’Università di Padova e Nrel
Prima della collaborazione tra l’Università di Padova, e Nrel, nessuna delle metodologie permettevano in modo efficiente di drogare il silicio senza danneggiare l’ossido, rendendo quindi difficile lo sviluppo e l’implementazione della tecnologia TopCon.
“La soluzione che abbiamo trovato assieme a Nrel – spiega il professor Enrico Napolitani del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Padova – utilizza impulsi laser ultra-veloci della durata di una decina di nanosecondi, cioè dell’ordine dei centomilionesimi di secondo, disponibili nel nostro nuovo laboratorio di Laser Processing finanziato dall’Università di Padova per applicare degli shock termici alla superficie del silicio. Il riscaldamento è tale da indurre un drogaggio di qualità eccellente, ma il processo è così veloce che l’ossido di silicio, localizzato più in profondità, si scalda poco e rimane assolutamente intatto”.
Il cuore del processo
Si parla di fenomeni complessi, come l’uso della luce ultravioletta, che viene assorbita entro pochissimi nanometri sotto la superficie. Essa induce un riscaldamento estremamente localizzato che si mantiene confinato grazie alla brevissima durata degli impulsi, in sostanza il calore non ha il tempo di diffondersi. Inoltre, gli impulsi hanno una energia così elevata da liquefare gli strati più superficiali del silicio (poche decine di nanometri) che, alla fine dell’impulso, ricristallizzano.
In realtà il cuore del processo è proprio questa transizione di fase solido-liquido-solido indotta dal laser denominata Pulsed Laser Melting (Plm), che nel laboratorio padovano si riesce a controllare a livello nanometrico. Grazie a essa il drogante, inizialmente posto sopra la superficie del silicio, si redistribuisce molto velocemente all’interno della fase liquida.
I risultati di questo processo
Successivamente la ricristallizzazione avviene in modo estremamente rapido, in modo da ‘congelare’ il drogante incorporandolo nella fase solida cristallina a concentrazioni elevatissime, ben superiori alle solubilità solide di equilibrio. In questo modo si conseguono due risultati con una sola azione: da un lato si confina il drogaggio e il riscaldamento mantenendo l’ossido sottostante intatto, dall’altro si droga a concentrazioni molto superiori – rispetto a quanto ottenuto in precedenza con altre tecniche – con notevoli effetti benefici sul funzionamento della cella fotovoltaica.
“E’ una metodologia che applichiamo con successo in molti ambiti per sintetizzare nuovi materiali: dalla nanoelettronica, alla fotonica, alla fotocatalisi, ai rivelatori per le alte energie – conclude Napolitani – ma non l’avevamo mai applicata al fotovoltaico solare. I risultati sono molto incoraggianti e in futuro, nel gruppo di Fisica dei Semiconduttori del nostro Dipartimento, approfondiremo ulteriormente i nostri studi, anche grazie alla nostra partecipazione al Partenariato Esteso Nest-“Network 4 Energy Sustainable Transition”, recentemente finanziato dall’Unione Europea nell’ambito del Pnrr“.
