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Le nanotecnologie alla conquista del solare

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A scala nanometrica, spiega lo scienziato, silicio e altri materiali utilizzati per produrre le celle fotovoltaiche amplificano l’efficacia di quei dispositivi. Con l’uso delle nanoparticelle, assemblate in nanostrutture, potremmo migliorare, per esempio, la raccolta ottica, permettendo ai sistemi di intrappolare più luce per la conversione in energia elettrica. Inoltre, l’utilizzo di nanomateriali renderebbe le celle solari ancora più sottili e più efficienti, aumentando la capacità di immagazzinamento di energia dei dispositivi.

L’Università dell’Arizona non è la sola a portare avanti la ricerca sulla nanotecnologia applicata alle energie rinnovabili. I ricercatori del MIT di Boston, confermano che captare il calore del sole attraverso “nano – celle” consentirebbe di migliorare l’efficienza utilizzando la luce solare per riscaldare un materiale ad alta temperatura la cui radiazione infrarossa sarebbe poi raccolta da una cella fotovoltaica convenzionale. Questa tecnica consentirebbe anche di stoccare l’energia immagazzinata durante il giorno per utilizzarla successivamente, superando uno dei maggiori limiti dell’energia fotovoltaica: l’intermittenza e la mancanza di sistemi di storage.

Evelyn Wang, professoressa associata in ingegneria meccanica, Marin Soljanĉić professore di Fisica, Ivan Celanović ricercatore scientifico, che fanno parte del team di ricercatori del MIT, hanno dichiarato nella rivista scientifica Nature Nanotechnology, che la nuova tecnologia (TPV, Thermophotovoltaic) permetterà di sfruttare lunghezze d’onda che adesso vengono sprecate. Si tratta di un sistema che combina i vantaggi del solare fotovoltaico, che converte direttamente la luce del sole in elettricità, e i vantaggi del solare termico che sfrutta il calore, più facilmente “stoccabile”.

Spiega la Wang “il fotovoltaico tradizionale non sfrutta i vantaggi di tutti i fotoni, mentre con il TVP l’efficienza potrebbe essere significativamente più alta, arrivando a superare l’80%, secondo le stime”.

Per migliorare ulteriormente le performance, sono state apportate delle semplici modifiche alle prime sperimentazioni. Poiché il sistema lavora con temperature elevate, la dimensione dell’ “assobitore – emettitore” sono fondamentali e le perdite di calore sono diminuite con l’aumentare della grandezza del dispositivo. I primi test sono stati fatti su un chip di 1 centimetro, ma i test di follow-up sono stati fatti con un chip di 10 centimetri.

Zhuomin Zhang, professore di ingegneria meccanica al Georgia Institute of Technology ha dichiarato “Il lavoro del team di scienziati del MIT ha superato di gran lunga i risultati della ricerca sulle celle fotovoltaiche e termo – solari fatta fino ad oggi, aprendo la strada ad un futuro di maggiore efficienza per l’energia solare”.

Insomma, anche se le celle fotovoltaiche in commercio oggi hanno superato di 8 volte l’efficienza della prima cella fotovoltaica creata nel 1954 nei Bell Laboratories del New Jersey, questo non ha contribuito a togliere alle fonti fossili il primato nel mix energetico mondiale. A farlo potrebbe essere qualcosa di veramente piccolo, la nanotecnologia.

Ma quanto dovremo ancora aspettare per vedere il debutto di queste “nano – celle”? Anche se alcuni scienziati avvertono che c’è ancora molto lavoro da fare, perché sono necessarie ulteriori ricerche sugli aspetti ambientali, sanitari e di sicurezza dei nano-materiali, Luke Henley, professore di chimica dell’Università dell’Illinois a Chicago, che ha ricevuto una borsa di studio nel 2012 dalla National Science Foundation per sviluppare un progetto sulle nanotecnologie correlate al sole, prevede ci saranno grandi progressi nei prossimi 5-10 anni. “Siamo ad un punto di svolta” dice “cinque recenti innovazioni nel campo della nanotecnologia potrebbero dare una spinta notevole al successo delle nanotecnologie legate al fotovoltaico”. Eccole illustrate di seguito:

Miliardi di fori molto piccoli

Per ridurre la quantità di luce solare che viene riflessa dalle celle solari al silicio, i produttori di solito aggiungono uno o più strati di materiale antiriflesso, che aumenta significativamente il costo. Ma alla fine dell’anno scorso, gli scienziati NREL (National Renewable Energy Laboratory) ha annunciato un importante passo avanti nell’uso delle nanotecnologie per ridurre la quantità di luce che riflettono le celle di silicio. Si tratta di utilizzare un particolare liquido che crea miliardi di fori di dimensioni nano in ogni centimetro quadrato di superficie della cella solare. Poiché i fori sono inferiori alle lunghezze d’onda di luce che li colpisce, la luce viene assorbita anziché riflessa. Il nuovo materiale, che si chiama “silicone nero”, è quasi il 20 per cento più efficiente rispetto ai modelli di celle al silicio esistenti.

Il ” Nano – Sandwich “

Celle solari organiche, a base di elementi come carbonio, azoto e ossigeno che si trovano negli esseri viventi, più economiche e più facili da realizzare rispetto alle celle solari a base di silicio attuali. Unica pecca: fino ad oggi non sono stati così efficienti. Ma un team di ricercatori dell’Università di Princeton , guidato dall’ ingegnere elettrico Stephen Chou , è stato in grado di triplicare l’efficienza delle celle solari elaborando un “nano – sandwich” strutturato di metallo e plastica. Come risultato, il dispositivo assorbe la maggior parte della luce piuttosto che rifletterla.

Imitare l’evoluzione

I professori di ingegneria meccanica Wei Chen e Cheng Sun della Northwestern University e i loro ricercatori Shuangcheng Yu e Chen Wang hanno introdotto un metodo che dovrebbe imitare i processi evolutivi. “Il nostro approccio si basa sul processo biologicamente evolutivo della sopravvivenza del più forte ” ha spiegato Chen in un articolo sul sito della Northwestern University. Il risultato: un’ evoluzione di ispirazione organica delle celle solari, utilizzando materiali a base di carbonio, piuttosto che cristalli di silicio, in cui la luce entra in un primo strato di dispersione di 100 nanometri di spessore, con un disegno geometrico non ortodosso. I ricercatori dicono che questo dovrebbe consentire di assorbire la luce in modo più efficiente. Il Dipartimento di Argonne National Laboratory Energy statunitense fabbricherà una versione sperimentale della nuova cella per portare avanti il test.

Piccole Antenne

Siamo abituati a pensare all’energia solare come qualcosa che raccogliamo con i pannelli. Ma i ricercatori della University of Connecticut e Penn State stanno lavorando su un approccio completamente nuovo, utilizzando piccole schiere di antenne nano – scala, in grado di raccogliere circa il 70 per cento dell’energia disponibile dal sole. Inoltre, le stesse schiere di antenne potrebbero convertire l’ energia in corrente continua, senza bisogno di dispositivi aggiuntivi.

Vernice Fotovoltaica

 

Il professore di chimica Richard L. Brutchey e ricercatore post-dottorato David H. Webber della University of Southern California hanno messo a punto una tecnologia che potrebbe trasformare un edificio in un collettore solare. Hanno creato un liquido stabile pieno di nanocristalli a raccolta solare in grado di condurre elettricità, che può essere verniciato o stampato come un inchiostro su superfici quali il vetro di una finestra o su pannelli di copertura in plastica. I nanocristalli , fatti di seleniuro di cadmio invece che di silicio, sono circa quattro nanometri, circa 250 miliardi di essi potrebbero rientrare sulla testa di uno spillo.
Il tassello mancante perché il lavoro di Brutchey e Webber diventi realtà? Trovare una molecola organica che dovrebbe unire i nanocristalli e impedire loro di attaccarsi, senza ostacolare la loro capacità di condurre elettricità. I ricercatori mirano a lavorare su nanocristalli costruiti con materiali diversi dal cadmio, che è un metallo tossico. ” La commercializzazione di questa tecnologia è ancora lontana, ma è plausibile che dia una spinta in avanti allo sviluppo delle tecnologie fotovoltaiche attuali integrandosi con esse ” dice Brutchey. (silvia martone)

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