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Manipolazione della luce per raddoppiare la produzione di energia solare
La maggior parte dei pannelli solari converte meno del 20 percento dell'energia della luce solare che cade su di essi in elettricità. Un nuovo progetto da 2,4 milioni di dollari finanziato dall'Agenzia per i progetti di ricerca avanzata degli Stati Uniti per l'energia mira ad aumentare notevolmente la quantità di luce solare che diventa elettricità. Il suo obiettivo è un'efficienza di conversione superiore al 50 percento, che raddoppierebbe più del doppio della quantità di energia generata da un pannello solare di una determinata dimensione. Ciò ridurrebbe della metà il numero di pannelli solari necessari e renderebbe potenzialmente l'energia solare più competitiva rispetto ai combustibili fossili.
Nel nuovo sforzo di ricerca, Harry Atwater, professore di fisica applicata e scienza dei materiali al Caltech, prevede di utilizzare materiali strutturati con precisione per suddividere la luce solare in otto-10 colori diversi e dirigerli verso celle solari con semiconduttori che si abbinano perfettamente a ciascun colore . Di conseguenza, verrà assorbita una parte maggiore dello spettro solare e l'energia contenuta in ciascuna fetta dello spettro verrà convertita principalmente in elettricità, piuttosto che in calore.
L'idea generale di ordinare la luce solare per colore non è nuova. Un approccio prevede la crescita di più materiali semiconduttori in una pila: la luce si muove attraverso la pila finché non viene assorbita da un semiconduttore in grado di convertirla in modo efficiente. Questo approccio ha prodotto celle solari commerciali con efficienze superiori al 43%. Ma il processo per realizzare tali celle solari è costoso e la potenza del dispositivo è limitata dallo strato con le prestazioni peggiori.
Altri hanno provato a suddividere la luce in vari colori utilizzando lenti, specchi e filtri convenzionali, ma i prototipi erano ingombranti e non hanno raggiunto efficienze molto elevate, in parte a causa dell'imprecisione dell'ottica: si è rivelato difficile dirigere esattamente il giusto lunghezze d'onda della luce a ciascuna cella solare. È stato anche difficile dividere la luce in più di un paio di colori diversi in un unico dispositivo.
Negli ultimi anni, tuttavia, gli scienziati sono migliorati nel manipolare la luce su scala molto ridotta, ordinandola per colore, intrappolandola e guidandola da un punto all'altro utilizzando sottili strati di materiale che incorporano minuscole caratteristiche spesso più piccole. rispetto alla lunghezza d'onda della luce. Atwater prevede di attingere a questi progressi per manipolare la luce con precisione e in un pacchetto piatto compatto che potrebbe non sembrare molto diverso da un pannello solare convenzionale. Uno strato dividerebbe la luce, la ordinerebbe per colore e poi la consegnerebbe a un secondo strato che contiene una serie di celle solari abbinate a ciascun colore.
La sfida con questo approccio è che nessuno produce questi materiali precisamente strutturati su grandi aree e nei grandi volumi necessari nell'industria solare. Ma Atwater paragona il dispositivo a un televisore a schermo piatto, che è di per sé un sofisticato dispositivo per manipolare la luce, con i suoi milioni di transistor per accendere e spegnere diversi pixel colorati.
I primi che uscivano costavano molte migliaia di dollari e avevano dei difetti. Ora puoi ottenerne uno per meno di cento dollari che è essenzialmente perfetto e i costi diminuiscono continuamente, dice. I display piatti sono un esempio di qualcosa che ha le dimensioni di un pannello solare, ma sono circuiti optoelettronici incredibilmente complessi. Quello che proponiamo è primitivo secondo quello standard.
Atwater afferma che gli strumenti di produzione necessari per realizzare i suoi materiali nanostrutturati stanno iniziando ad arrivare sul mercato. Rimarranno costosi, tuttavia, finché i volumi di produzione saranno bassi. I ricercatori si stanno anche avvicinando alla possibilità di realizzare sottili wafer di vari semiconduttori e trasferirli su un dispositivo come quello che sta immaginando.