Energia solare di nuova generazione: I ricercatori giapponesi raggiungono la scoperta del BPVE
In una cella solare convenzionale, due strati di semiconduttore diversamente drogati formano una giunzione p-n. Alla loro interfaccia, si sviluppa un campo elettrico interno. Quando la luce colpisce la cella, genera elettroni e le loro controparti cariche positivamente. Il campo elettrico li spinge rapidamente in direzioni opposte, creando un flusso di corrente. Tuttavia, questo design fondamentale presenta un limite fisico incorporato alla tensione e all'efficienza, noto come limite di Shockley-Queisser https://en.wikipedia.org/wiki/Shockley%E2%80%93Queisser_limit. In termini pratici, anche in condizioni ideali di luce solare, solo circa un terzo dell'energia della luce può essere convertito in elettricità.
È qui che entra in gioco l'effetto fotovoltaico di massa https://en.wikipedia.org/wiki/Anomalous_photovoltaic_effect (BPVE) entra in gioco. A differenza delle celle solari tradizionali, non si basa su una giunzione p-n o su un campo elettrico interno. Invece, sfrutta la struttura atomica unica di alcuni cristalli che non hanno simmetria speculare. L'effetto si verifica quando si rompono due simmetrie contemporaneamente: In primo luogo, la simmetria speculare spaziale deve essere assente, consentendo alla disposizione atomica asimmetrica di spingere gli elettroni preferenzialmente in una direzione quando vengono esposti alla luce. In secondo luogo, la simmetria di inversione temporale deve essere rotta da un materiale magnetico, in modo che i movimenti degli elettroni in avanti e indietro non siano più equivalenti. Quando entrambe le condizioni sono soddisfatte, la luce da sola può generare una corrente - senza una giunzione e oltre il limite di Shockley-Queisser.
I ricercatori di Kyoto raggiungono la svolta BPVE - celle solari controllabili tramite il magnetismo
Un team di ricerca dell'Università di Kyoto, guidato dal fisico Kazunari Matsuda, ha sviluppato per la prima volta una cella solare senza una giunzione p-n convenzionale, dove entrambe le condizioni critiche sono soddisfatte simultaneamente:
- Un singolo strato di semiconduttore atomicamente sottile assicura che il materiale non abbia una simmetria speculare.
- Un cristallo magnetico sottostante rompe ulteriormente la simmetria di inversione temporale.
L'Università di Kyoto ha annunciato la scoperta il 24 giugno. Ciò consente all'effetto fotovoltaico di massa (BPVE) di affermarsi pienamente: la luce guida direttamente gli elettroni in una direzione, generando corrente senza la necessità di un campo elettrico interno. Il cristallo magnetico funziona come una manopola di controllo finemente regolabile: l'applicazione di un campo magnetico esterno può accendere o spegnere la corrente, oppure modulare la sua forza. In teoria, le celle solari basate sul BPVE potrebbero sfruttare più energia dalla luce solare, essendo ultra-sottili, flessibili e persino regolabili tramite campi magnetici.
Lo studio di otto pagine, pubblicato su Nature Communicationsè disponibile gratuitamente online. Sebbene l'Università di Kyoto non abbia fornito una tempistica per la commercializzazione, la tecnologia rimane nelle prime fasi di sviluppo. Tuttavia, ci sono applicazioni potenziali che potrebbero emergere nel prossimo futuro, non solo nella generazione di energia, ma anche nella tecnologia dei sensori. Per esempio, i film BPVE ultrasottili potrebbero fungere da "mini centrali elettriche" autoalimentate su etichette, indossabili o dispositivi di monitoraggio ambientale. Queste pellicole non si limiterebbero ad alimentare i sensori di temperatura, umidità o movimento; la loro sintonizzazione magnetica potrebbe anche consentire il rilevamento dell'intensità luminosa, dei campi magnetici e persino della polarizzazione della luce, il tutto all'interno di un unico strato quasi invisibile.
