Intensificare il sole

Nel suo laboratorio oscurato al MIT, Marc Baldo fa brillare una lampada a raggi ultravioletti su un quadrato di vetro di 10 centimetri. Ha rivestito le superfici del vetro con coloranti che brillano debolmente arancione sotto la luce. Eppure i bordi non rivestiti del vetro brillano di più: quattro strisce sottili e ordinate di arancione luminescente.

Marc Baldo posa con una collezione di lastre di vetro rivestite con coloranti organici che emettono luce. I coloranti assorbono la luce e la ritrasmettono nel vetro, che la incanala verso i bordi delle lastre. Baldo utilizza i dispositivi per concentrare la luce solare, rendendo l'energia solare più economica.

La lastra di vetro è un nuovo tipo di concentratore solare, un dispositivo che raccoglie la luce diffusa e la focalizza su una cella solare relativamente piccola. Le celle solari, dispositivi elettronici multistrato realizzati in silicio altamente raffinato, sono costosi da produrre e più sono grandi, più costano. I concentratori solari possono ridurre il costo complessivo dell'energia solare rendendo possibile l'utilizzo di celle molto più piccole. Ma i concentratori sono in genere fatti di specchi o lenti curvi, che sono ingombranti e richiedono costosi sistemi meccanici che li aiutino a inseguire il sole.

Questa storia faceva parte del nostro numero di settembre 2008

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A differenza degli specchi e delle lenti dei concentratori solari convenzionali, le lastre di vetro di Baldo fungono da guide d'onda, incanalando la luce nello stesso modo in cui i cavi in ​​fibra ottica trasmettono segnali ottici su lunghe distanze. I coloranti che rivestono le superfici del vetro assorbono la luce solare; diversi coloranti possono essere utilizzati per assorbire diverse lunghezze d'onda della luce. Quindi i coloranti reimmettono la luce nel vetro, che la incanala verso i bordi. Le strisce di celle solari attaccate ai bordi assorbono la luce e generano elettricità. Maggiore è la superficie del vetro rispetto allo spessore dei bordi, più la luce è concentrata e, fino a un certo punto, minore è la spesa energetica.

Baldo, un professore associato di ingegneria elettrica, ha recentemente pubblicato le sue scoperte in Scienza . Sulla base di questi progetti, i suoi concentratori solari potrebbero essere abbastanza grandi da consentire all'elettricità che aiutano a generare di competere con l'elettricità da combustibili fossili. Infatti, dice Baldo, i pannelli dotati di concentratori potrebbero essere la tecnologia solare più economica.

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Ingrediente segreto
Il processo per realizzare i concentratori solari di Baldo inizia in fondo al corridoio in un altro laboratorio. Un ricercatore post-dottorato, Shalom Goffri, prende diverse bottiglie piene di polveri colorate da un armadietto e misura le polveri in piccole fiale. Alcuni dei coloranti sono stati sviluppati per l'uso nelle vernici per auto; altri sono stati utilizzati in diodi organici a emissione di luce. Entrambi i tipi di coloranti possono durare anni al sole, una qualità essenziale per i concentratori solari. Una volta dosate le polveri, Goffri aggiunge a ciascuna un solvente per fare un inchiostro liquido.

I passaggi successivi avvengono all'interno di una scatola sigillata, in modo che Goffri non inala i solventi utilizzati per realizzare la tintura. Raggiunge la scatola, usando spessi guanti neri montati nella parte anteriore di vetro, e mescola accuratamente diversi inchiostri. Determinare la giusta combinazione di inchiostri ha risolto un problema fondamentale che i ricercatori hanno riscontrato con questo tipo di concentratore solare. Se la lastra di vetro è rivestita con un colorante che assorbe la luce solare, diciamo, nell'intervallo dal verde al blu dello spettro solare ed emette luce della stessa lunghezza d'onda, la luce emessa sarà rapidamente riassorbita dal colorante, e poco di essa raggiungerà mai il bordo del bicchiere. Il problema ha limitato le dimensioni di questi concentratori solari, poiché più la luce deve viaggiare verso i bordi, meno luce ce la farà.

Utilizzando determinate combinazioni di coloranti intervallate da altre molecole che assorbono la luce, Baldo realizza rivestimenti che assorbono un colore ma ne emettono un altro. La luce emessa non viene rapidamente riassorbita dai rivestimenti, quindi ne raggiunge maggiormente i bordi della lastra di vetro.

I rivestimenti che Goffri sta realizzando assorbono l'ultravioletto attraverso la luce verde ed emettono luce arancione. Una volta che Goffri ha preparato la miscela finale, ne versa una piccola quantità su un quadrato di vetro largo 10 centimetri, il più grande che può stare all'interno di un dispositivo che fa girare il vetro a 2.000 giri al minuto per distribuire uniformemente l'inchiostro. Nel giro di uno o due minuti, il solvente è evaporato e il processo è terminato. Il concentratore solare, con il suo rivestimento di colorante arancione, è completo.

il prototipo
Per generare elettricità, Goffri collega il concentratore solare alle celle solari. Sta realizzando quello che viene chiamato un modulo solare tandem, un tipo di pannello solare che utilizza due diversi tipi di celle per catturare più energia alla luce del sole di quanto potrebbe fare un singolo tipo. Diverse lunghezze d'onda della luce solare hanno diverse quantità di energia; la luce ultravioletta ha di più e quella infrarossa di meno. Le celle solari sono ottimizzate per colori particolari. Uno progettato per convertire la luce infrarossa in elettricità, ad esempio, convertirà la maggior parte dell'energia nella luce blu in calore di scarto. Allo stesso modo, la luce rossa passerà attraverso una cella solare ottimizzata per la luce blu ad alta energia senza essere assorbita. Idealmente, celle solari per diverse lunghezze d'onda sarebbero utilizzate in combinazione per raccogliere la maggior parte della luce solare, ma questo approccio è spesso troppo costoso per essere pratico.

I concentratori Baldo offrono un modo economico per combinare celle solari ottimizzate per diverse lunghezze d'onda della luce: diversi rivestimenti colorati possono essere abbinati a diversi tipi di celle solari nello stesso dispositivo. Per realizzare un prototipo, Goffri prende un tipo di cella solare che ben si adatta ai colori ad alta energia e la incolla all'interno di una cornice di plastica; quindi fa scorrere il concentratore nel telaio in modo che i suoi bordi siano allineati con le celle. Il concentratore cattura la luce ultravioletta, blu e verde ed emette luce arancione che le cellule convertono in elettricità. La luce a bassa energia, dall'estremità rossa e infrarossa dello spettro, passa attraverso il concentratore solare allo strato successivo. Nel prototipo, lo strato successivo è una cella solare al silicio convenzionale a grandezza naturale che non è accoppiata con un concentratore solare.

Il prototipo, afferma Baldo, può convertire quasi il doppio di energia dalla luce solare in elettricità rispetto a una cella convenzionale, a condizione che il concentratore sia di circa 30 centimetri quadrati. Ciò si traduce in una diminuzione del 30% del costo dell'elettricità solare.

In futuro, il risparmio sui costi può essere molto più elevato, ritiene Baldo. Non usa un concentratore per la luce infrarossa perché, finora, non esistono buoni coloranti per catturare quelle lunghezze d'onda. Ma è fiducioso che tali coloranti possano essere sviluppati. Quando ciò accadrà, sarà in grado di aggiungere un secondo concentratore, per un piccolo costo aggiuntivo, e sostituire la cella solare al silicio a grandezza naturale con celle più piccole ed economiche attaccate ai bordi dei concentratori. Se il costo del fotovoltaico scenderà nei prossimi anni, come previsto, questa configurazione potrebbe rendere l'energia solare economica quanto l'elettricità dal carbone, dice.

C'è ancora lavoro da fare in laboratorio, come migliorare la gamma di colori che i concentratori possono assorbire, il che renderà possibile adattarli a sezioni specifiche dello spettro. Ma Baldo dice che è ora di iniziare a spostare la tecnologia fuori dal laboratorio e nel mercato. Lui ei suoi colleghi hanno fondato una società chiamata Covalent Solar, che sta iniziando a raccogliere fondi. L'azienda, con sede a Cambridge, MA, prevede di avere i suoi primi prodotti, probabilmente moduli solari tandem, disponibili entro tre anni.

Kevin Bullis è Revisione della tecnologia l'editore di energia.

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