Come sfruttare l'energia del sole attraverso il calore e la luce

Un nuovo approccio alla raccolta dell'energia solare, sviluppato dai ricercatori del MIT, potrebbe migliorare l'efficienza utilizzando la luce solare per riscaldare un materiale ad alta temperatura la cui radiazione infrarossa verrebbe quindi raccolta da una cella fotovoltaica convenzionale. Questa tecnica potrebbe anche rendere più facile immagazzinare l'energia per un uso successivo, dicono i ricercatori.

Un dispositivo solare termofotovoltaico nanofotonico composto da una serie di nanotubi di carbonio a parete multipla come assorbitore, un cristallo fotonico unidimensionale di silicio/biossido di silicio come emettitore e una cella fotovoltaica da 0,55 eV. Foto per gentile concessione di John Freidah.

In questo caso, l'aggiunta del gradino in più migliora le prestazioni, perché consente di sfruttare le lunghezze d'onda della luce che normalmente vanno sprecate. Il processo è descritto in un articolo pubblicato questa settimana sulla rivista Nanotecnologia della natura , scritto dallo studente laureato Andrej Lenert, dal professore associato di ingegneria meccanica Evelyn Wang, dal professore di fisica Marin Soljačić, dal principale ricercatore Ivan Celanović e da altri tre.

Una cella solare convenzionale a base di silicio non sfrutta tutti i fotoni, spiega Wang. Questo perché convertire l'energia di un fotone in elettricità richiede che il livello di energia del fotone corrisponda a quello di una caratteristica del materiale fotovoltaico (PV) chiamata bandgap. Il bandgap del silicio risponde a molte lunghezze d'onda della luce, ma ne manca molte altre.

Per affrontare questa limitazione, il team ha inserito un dispositivo assorbitore-emettitore a due strati, realizzato con nuovi materiali tra cui nanotubi di carbonio e cristalli fotonici, tra la luce solare e la cella fotovoltaica. Questo materiale intermedio raccoglie energia da un ampio spettro di luce solare, riscaldandosi nel processo. Quando si riscalda, come con un pezzo di ferro che si illumina incandescente, emette luce di una particolare lunghezza d'onda, che in questo caso è sintonizzata per adattarsi alla banda proibita della cella fotovoltaica montata nelle vicinanze.

Questo concetto di base è stato esplorato per diversi anni, poiché in teoria tali sistemi solari termofotovoltaici (STPV) potrebbero fornire un modo per aggirare un limite teorico sull'efficienza di conversione dell'energia dei dispositivi fotovoltaici basati su semiconduttori. Tale limite, chiamato limite di Shockley-Queisser, impone un limite del 33,7 percento a tale efficienza, ma Wang afferma che con i sistemi TPV l'efficienza sarebbe significativamente più elevata: idealmente potrebbe essere superiore all'80 percento.

Ci sono stati molti ostacoli pratici alla realizzazione di quel potenziale; esperimenti precedenti non sono stati in grado di produrre un dispositivo STPV con un'efficienza superiore all'1%. Ma Lenert, Wang e il loro team hanno già prodotto un dispositivo di prova iniziale con un'efficienza misurata del 3,2 percento e affermano che con un ulteriore lavoro si aspettano di poter raggiungere il 20 percento di efficienza, sufficiente, dicono, per un prodotto commercialmente valido .

Il design del materiale assorbitore-emettitore a due strati è la chiave di questo miglioramento. Il suo strato esterno, rivolto verso la luce del sole, è una serie di nanotubi di carbonio a parete multipla, che assorbe in modo molto efficiente l'energia della luce e la trasforma in calore. Questo strato è strettamente legato a uno strato di un cristallo fotonico, che è precisamente progettato in modo tale che quando viene riscaldato dallo strato di nanotubi attaccato, emette luce la cui intensità di picco è per lo più al di sopra della banda proibita del PV adiacente, assicurando che la maggior parte dell'energia raccolta dall'assorbitore viene poi trasformata in energia elettrica.

Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno utilizzato la luce solare simulata e hanno scoperto che la sua massima efficienza arrivava quando la sua intensità era equivalente a un sistema di messa a fuoco che concentra la luce solare di un fattore di 750. Questa luce ha riscaldato l'emettitore-assorbitore a una temperatura di 962 gradi Celsius.

Questo livello di concentrazione è già molto più basso rispetto ai precedenti tentativi di sistemi STPV, che concentravano la luce solare di un fattore di diverse migliaia. Ma i ricercatori del MIT affermano che dopo un'ulteriore ottimizzazione, dovrebbe essere possibile ottenere lo stesso tipo di miglioramento a concentrazioni di luce solare ancora più basse, rendendo i sistemi più facili da usare.

Un tale sistema, afferma il team, combina i vantaggi dei sistemi solari fotovoltaici, che trasformano la luce solare direttamente in elettricità, e dei sistemi solari termici, che possono avere un vantaggio per l'uso ritardato perché il calore può essere immagazzinato più facilmente dell'elettricità. I nuovi sistemi solari termofotovoltaici, dicono, potrebbero fornire efficienza grazie al loro assorbimento a banda larga della luce solare; scalabilità e compattezza, perché si basano sulla tecnologia di produzione dei chip esistente; e facilità di immagazzinamento di energia, a causa della loro dipendenza dal calore.

Alcuni dei modi per migliorare ulteriormente il sistema sono abbastanza semplici. Poiché lo stadio intermedio del sistema, l'assorbitore-emettitore, si basa su temperature elevate, la sua dimensione è cruciale: più un oggetto è grande, minore è la superficie che ha in relazione al suo volume, quindi le perdite di calore diminuiscono rapidamente all'aumentare delle dimensioni. I test iniziali sono stati eseguiti su un chip da 1 centimetro, ma i test successivi verranno eseguiti con un chip da 10 centimetri, dicono.

Zhuomin Zhang, professore di ingegneria meccanica presso il Georgia Institute of Technology che non è stato coinvolto in questa ricerca, afferma: 'Questo lavoro è un passo avanti nel solare termofotovoltaico, che in linea di principio può raggiungere un'efficienza maggiore rispetto alle celle solari convenzionali perché STPV può trarre vantaggio da l'intero spettro solare. … Questo risultato apre la strada per aumentare rapidamente l'efficienza di STPV.

Il team di ricerca comprendeva anche gli studenti laureati del MIT David Bierman e Walker Chan, l'ex postdoc Youngsuk Nam e il ricercatore Ivan Celanović. Il lavoro è stato finanziato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti attraverso il Centro di conversione dell'energia termica solare a stato solido (S3TEC) del MIT, nonché dalla Martin Family Society, dalla MIT Energy Initiative e dalla National Science Foundation.

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