I colori della luce: le celle di Grätzel raggiungono il 30% di efficienza

Le celle di Grätzel, inventate nel 1991 da Michael Grätzel e Brian O'Regan, a volte chiamate dye-sensitized solar cell (DSSC o DSC), sono delle particolari celle fotoelettrochimiche costituite da due vetri conduttori, che ricoprono il ruolo di elettrodi, separati da uno strato di biossido di titanio (TiO2). I coloranti organici presenti al loro interno sostituiscono integralmente il silicio utilizzato nei moduli classici e da poco hanno superato il loro limite di efficienza, segnando un 30% da record presso lo stesso Istituto che le vide venire alla luce, l'École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL). Qui il paper di ricerca, pubblicato sulla prestigiosa rivista Nature.

Contrariamente alle sorelle di silicio, le celle di Grätzel per molto tempo sono rimaste nell'ombra, lavorando su se stesse e migliorandosi, ritagliandosi spazi sempre più importanti nell'edilizia e nell'elettronica elettronica per via delle loro caratteristiche tecniche peculiari, come la trasparenza, il colore (che le rende simili alle vetrate) l’estrema flessibilità e la capacità di sfruttare anche la luce ambientale diffusa oltre a quella incidente. Ora sono pronte per un secondo debutto, forti di un livello di efficienza veramente impressionante.

Per arrivare a questo risultato gli scienziati dell'EPFL hanno lavorato sia sui fotosensibilizzatori sia su altri componenti delle DSSC con diverse strategie, una delle quali riprendere la logica dell’approccio "tandem" dei moduli perovskite-silicio, di cui abbiamo parlato in questo articolo. Nell'assemblare le celle solari con i diversi pigmenti è possibile utilizzare una tecnica chiamata co-sensibilizzazione che vede l'impiego, in una sola unità, di due o più coloranti diversi. In questo modo è possibile ottenere un assorbimento ottico complementare, aumentando la porzione di spettro sfruttabile e l'efficienza di conversione. Trovare la giusta alchimia fra i diversi pigmenti è tutt'altro che semplice e richiede un enorme lavoro di progettazione, sintesi e screening molecolare, ma gli scienziati dei gruppi Grätzel e Anders Hagfeldt dell'EPFL hanno sviluppato un metodo per migliorare l'assemblaggio di due nuove molecole di pigmento fotosensibilizzanti e aumentare le prestazioni fotovoltaiche delle DSSC senza andare per tentativi o perdersi in migliaia di calcoli.

Le nuove celle di Grätzel vantano un'efficienza di conversione del 15,2% alla luce solare diretta, con una stabilità operativa a lungo termine di oltre 500 ore. L'aumento della superficie attiva di 2,8 cm2 ha alzato esponenzialmente la percentuale, arrivando quasi al doppio, fra il 28,4% e il 30,2% in un ampio intervallo di intensità della luce ambientale, mantenendo ancora una volta un’ottima stabilità operativa.

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