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Un nuovo modo di utilizzare l'energia del sole
Un nuovo tipo di dispositivo che utilizza sia il calore che la luce del sole dovrebbe essere più efficiente delle celle solari convenzionali, che convertono solo la luce in elettricità.
Calore luminoso: Nicholas Melosh ha sviluppato un dispositivo per convertire simultaneamente la luce e il calore del sole in elettricità. Melosh realizza e testa il dispositivo in questa camera a vuoto nel suo laboratorio alla Stanford University.
Il dispositivo si basa su un principio fisico scoperto e dimostrato dai ricercatori della Stanford University. Nel loro prototipo, l'energia della luce solare eccita gli elettroni in un elettrodo e il calore del sole induce gli elettroni eccitati a saltare attraverso il vuoto in un altro elettrodo, generando una corrente elettrica. Il dispositivo potrebbe essere progettato per inviare calore di scarto a un motore a vapore e convertire il 50 percento dell'energia della luce solare in elettricità, un enorme miglioramento rispetto alle celle solari convenzionali.
Le celle solari al silicio più comuni convertono circa il 15% dell'energia della luce solare in elettricità. Più della metà dell'energia solare in entrata viene dispersa sotto forma di calore. Questo perché i materiali attivi nelle celle solari possono interagire solo con una particolare banda dello spettro solare; i fotoni al di sotto di un certo livello di energia riscaldano semplicemente la cella.
Un modo per superare questo problema è impilare i materiali attivi uno sopra l'altro in una cella multigiunzione che può utilizzare uno spettro di luce più ampio, trasformandone una parte maggiore in corrente elettrica anziché in calore, per efficienze fino a circa il 40%. Ma tali celle sono complesse e costose da realizzare.
Alla ricerca di un modo migliore per sfruttare il calore del sole, Stanford's Nicholas Melosh è stato ispirato da sistemi di cogenerazione altamente efficienti che utilizzano l'espansione del gas in combustione per azionare una turbina e il calore della combustione per alimentare un motore a vapore. Ma i convertitori di energia termica non si accoppiano bene con i dispositivi solari convenzionali. Più fa caldo, più efficiente diventa la conversione dell'energia termica. Le celle solari, al contrario, diventano meno efficienti man mano che si riscaldano. A circa 100 °C, una cella di silicio non funzionerà bene; sopra i 200 °C, non funzionerà affatto.
La svolta è arrivata quando i ricercatori di Stanford si sono resi conto che la luce nella radiazione solare potrebbe migliorare la conversione dell'energia in un diverso tipo di dispositivo, chiamato convertitore di energia termoionica, che è convenzionalmente guidato esclusivamente dal calore. I convertitori termoionici sono costituiti da due elettrodi separati da un piccolo spazio. Quando l'elettrodo positivo, o catodo, viene riscaldato, gli elettroni nel catodo si eccitano e saltano sull'elettrodo negativo, o anodo, guidando una corrente attraverso un circuito esterno. Questi dispositivi sono stati utilizzati per alimentare i satelliti russi ma non hanno trovato alcuna applicazione a terra perché devono raggiungere temperature molto elevate, circa 1.500 °C, per funzionare in modo efficiente. Il catodo in questi dispositivi è tipicamente costituito da metalli come il cesio.
Il gruppo di Melosh ha sostituito il catodo di cesio con un wafer di materiale semiconduttore che può sfruttare non solo il calore ma anche la luce. Quando la luce colpisce il catodo, trasmette la sua energia agli elettroni nel materiale in un modo simile a quello che accade in una cella solare. Questo tipo di trasferimento di energia non avviene nei metalli utilizzati in passato per realizzare questi catodi, ma è tipico dei materiali semiconduttori. Non ci vuole così tanto calore perché questi elettroni preeccitati saltino all'anodo, quindi questo nuovo dispositivo può funzionare a temperature più basse rispetto ai convertitori termoionici convenzionali, ma a temperature più alte di una cella solare.
I ricercatori di Stanford chiamano questo nuovo meccanismo PETE, per l'emissione termoionica potenziata da fotoni. La luce aiuta a sollevare il livello di energia degli elettroni in modo che fluiscano, dice Gang Chen , professore di ingegneria energetica al MIT. È una lunga strada per un dispositivo pratico, ma questo lavoro dimostra che è possibile, dice.
Il prototipo del gruppo di Stanford, descritto questo mese sulla rivista Materiali della natura , utilizza il nitruro di gallio come semiconduttore. Converte solo il 25% circa dell'energia della luce in elettricità a 200 °C e l'efficienza aumenta con la temperatura. Stuart Licht, professore di chimica alla George Washington University, afferma che il processo avrebbe un vantaggio rispetto alle celle solari perché utilizza il calore oltre alla luce. Ma avverte: sarà necessario ulteriore lavoro per tradurlo in un dispositivo pratico e più efficiente.
Il gruppo di Stanford sta ora lavorando per fare proprio questo. I ricercatori stanno testando dispositivi realizzati con materiali più adatti alla conversione dell'energia solare, tra cui silicio e arseniuro di gallio. Stanno anche sviluppando modi per trattare questi materiali in modo che il dispositivo funzioni in modo più efficiente in un intervallo di temperatura compreso tra 400 °C e 600 °C; concentratori solari sarebbero utilizzati per generare temperature così elevate dalla luce solare.
Anche ad alte temperature, il convertitore termoionico potenziato da fotoni genererà più calore di quanto possa utilizzare; Melosh afferma che questo calore potrebbe essere accoppiato a un motore a vapore per un'efficienza di conversione da energia solare a elettricità superiore al 50 percento. È probabile che questi sistemi siano troppo complessi e costosi per installazioni su tetto di piccole dimensioni. Ma potrebbero essere economici per le grandi installazioni di parchi solari, afferma Melosh, professore di scienza e ingegneria dei materiali. Spera di avere un dispositivo pronto per lo sviluppo commerciale in tre anni.