Un gruppo di ricerca guidato dal professor Mingtai Wang, che lavora alle celle solari, attivo presso gli Hefei Institutes of Physical Science dell’Accademia Cinese delle Scienze, ha sviluppato una nuova tecnica per la crescita di nanobacchette di diossido di titanio (TiO₂) con spaziatura controllabile e il tutto senza alterarne dimensioni e forma. Il risultato? Celle solari più efficienti e una nuova strada per le tecnologie optoelettroniche del futuro.
Lo studio, pubblicato sulla rivista Small Methods, promette infatti un salto in avanti nella progettazione di materiali nanostrutturati, aprendo nuove possibilità nel campo dell’energia pulita, della fotocatalisi e dei sensori intelligenti.
Perché il TiO₂ è così importante?
Il biossido di titanio in forma di nanobacchette monocristalline si conferma uno dei materiali più promettenti in ambito energetico: è in grado di catturare luce in modo molto efficiente e di trasportare cariche elettriche con facilità, due proprietà fondamentali per il funzionamento delle celle solari di nuova generazione.
Tuttavia, c’è sempre stato un problema: con i metodi tradizionali, modificare la densità delle bacchette (cioè quanto sono ravvicinate) comportava automaticamente un cambiamento anche nel diametro o nella lunghezza delle stesse e questo compromette spesso le prestazioni complessive del dispositivo.
L’idea vincente: idrolisi più lunga, bacchette più gestibili
Il team ha aggirato questo limite agendo su un punto chiave del processo: la fase di idrolisi del film precursore. Estendendo questa fase in modo controllato, i ricercatori sono riusciti a formare catene di gel più lunghe, che a loro volta danno origine a nanoparticelle di anatase più piccole.
Durante il successivo trattamento idrotermale, queste nanoparticelle si trasformano in situ in semi di rutilo, cioè i punti di partenza da cui si sviluppano le nanobacchette. In questo modo è possibile regolare la densità (ovvero quanto fitte sono le bacchette) senza modificarne forma e dimensioni.
Efficienza sopra il 10% con celle solari CuInS₂
Utilizzando questa tecnica, il gruppo ha ottenuto film TiO₂-NA con diametro e altezza costanti, ma con densità variabile. In particolare, quando questi film sono stati inseriti in celle solari a base di CuInS₂ lavorate a bassa temperatura, si è raggiunta una efficienza di conversione dell’energia pari al 10,44%, un risultato eccellente per una tecnologia a basso costo e bassa temperatura.
Per spiegare il legame tra spaziatura e prestazioni, i ricercatori hanno introdotto un nuovo modello, denominato Volume-Surface-Density: questo chiarisce come la densità delle nanobacchette influenzi la capacità di intrappolare la luce, separare le cariche e raccogliere gli elettroni generati.
Una nuova via per il design delle nanostrutture
In sintesi, lo studio rappresenta un importante passo avanti nella realizzazione di celle solari più performanti e personalizzabili, ma è tutto: questo getta le basi per un sistema integrato che collega i processi di fabbricazione su scala macroscopica, l’evoluzione della microstruttura e le prestazioni finali del dispositivo.
Un’innovazione che, come spesso accade nel mondo della scienza dei materiali, parte da un dettaglio apparentemente banale (cioè l’allungamento di una fase chimica) e per rivoluzionare l’intero approccio alla progettazione dei dispositivi del futuro.
