Mentre la maggior parte della luce concentrata sul bordo del concentratore solare luminescente a base di silicio è in realtà invisibile, possiamo vedere meglio l'effetto di concentrazione ad occhio nudo quando la lastra è illuminata da una "luce nera" che è composta principalmente da lunghezze d'onda ultraviolette. Credito: Uwe Kortshagen, Facoltà di Scienze e Ingegneria
I ricercatori dell'Università del Minnesota e dell'Università di Milano-Bicocca stanno portando il sogno di finestre in grado di raccogliere in modo efficiente l'energia solare un passo più vicino alla realtà grazie alle nanoparticelle di silicio ad alta tecnologia.
I ricercatori hanno sviluppato una tecnologia per incorporare le nanoparticelle di silicio in quelli che chiamano concentratori solari luminescenti efficienti (LSC). Questi LSC sono l'elemento chiave delle finestre in grado di raccogliere in modo efficiente l'energia solare. Quando la luce splende attraverso la superficie, le frequenze utili della luce sono intrappolate all'interno e concentrate ai bordi dove possono essere posizionate piccole celle solari per catturare l'energia.
La ricerca è pubblicata oggi in Fotonica della natura .
Finestre in grado di raccogliere l'energia solare, chiamate finestre fotovoltaiche, sono la prossima frontiera delle tecnologie per le energie rinnovabili, poiché hanno il potenziale per aumentare ampiamente la superficie degli edifici adatti alla generazione di energia senza influire sulla loro estetica, un aspetto cruciale, soprattutto nelle aree metropolitane. Le finestre fotovoltaiche basate su LSC non richiedono alcuna struttura ingombrante per essere applicate sulla loro superficie e poiché le celle fotovoltaiche sono nascoste nel telaio della finestra, si fondono invisibilmente nell'ambiente costruito.
L'idea di concentratori solari e celle solari integrati nella progettazione degli edifici esiste da decenni, ma questo studio includeva una differenza chiave:le nanoparticelle di silicio. Fino a poco tempo fa, i migliori risultati sono stati ottenuti utilizzando nanostrutture relativamente complesse basate o su elementi potenzialmente tossici, come cadmio o piombo, o su sostanze rare come l'indio, che è già ampiamente utilizzato per altre tecnologie. Il silicio è abbondante nell'ambiente e non tossico. Funziona anche in modo più efficiente assorbendo la luce a diverse lunghezze d'onda rispetto a quella emessa. Però, silicio nella sua forma sfusa convenzionale, non emette luce o luminesce.
"Nel nostro laboratorio, "inganniamo" la natura sottraendo la dimensione dei cristalli di silicio a pochi nanometri, cioè circa un decimillesimo del diametro di un capello umano, ", ha affermato il professore di ingegneria meccanica dell'Università del Minnesota Uwe Kortshagen, inventore del processo per la creazione di nanoparticelle di silicio e uno degli autori senior dello studio. "A queste dimensioni, le proprietà del silicio cambiano e diventa un efficiente emettitore di luce, con l'importante proprietà di non riassorbire la propria luminescenza. Questa è la caratteristica chiave che rende le nanoparticelle di silicio ideali per le applicazioni LSC".
L'uso delle nanoparticelle di silicio ha aperto molte nuove possibilità al team di ricerca.
"Negli ultimi anni, la tecnologia LSC ha subito una rapida accelerazione, grazie anche a studi pionieristici condotti in Italia, ma trovare materiali adatti per raccogliere e concentrare la luce solare era ancora una sfida aperta, " disse Sergio Brovelli, professore di fisica all'Università degli studi di Milano-Bicocca, coautore dello studio, e co-fondatore della società spin-off Glass to Power che sta industrializzando LSC per finestre fotovoltaiche "Ora, è possibile sostituire questi elementi con nanoparticelle di silicio."
I ricercatori affermano che le caratteristiche ottiche delle nanoparticelle di silicio e la loro compatibilità quasi perfetta con il processo industriale per la produzione dei polimeri LSC creano un percorso chiaro per la creazione di finestre fotovoltaiche efficienti in grado di catturare oltre il 5% dell'energia solare a costi bassi senza precedenti.
"Ciò renderà le finestre fotovoltaiche basate su LSC una vera tecnologia per il mercato del fotovoltaico integrato negli edifici senza le potenziali limitazioni di altre classi di nanoparticelle basate su materiali relativamente rari, " disse Francesco Meinardi, professore di fisica all'Università degli studi di Milano-Bicocca e uno dei primi autori del paper.
Le nanoparticelle di silicio sono prodotte in un processo ad alta tecnologia utilizzando un reattore al plasma e formate in polvere.
"Ogni particella è composta da meno di duemila atomi di silicio, " ha detto Samantha Ehrenberg, un dottorato di ricerca meccanico dell'Università del Minnesota. studente e un altro primo autore dello studio. "La polvere viene trasformata in una soluzione simile all'inchiostro e quindi incorporata in un polimero, o formando un foglio di materiale plastico flessibile o rivestendo una superficie con un film sottile."
L'Università del Minnesota ha inventato il processo per creare nanoparticelle di silicio circa una dozzina di anni fa e detiene numerosi brevetti su questa tecnologia. Nel 2015, Kortshagen ha incontrato Brovelli, che è un esperto nella fabbricazione di LSC e aveva già dimostrato vari approcci di successo a LSC efficienti basati su altri sistemi di nanoparticelle. Il potenziale delle nanoparticelle di silicio per questa tecnologia è stato subito chiaro ed è nata la partnership. L'Università del Minnesota ha prodotto le particelle e i ricercatori in Italia hanno fabbricato le LSC incorporandole in polimeri attraverso un metodo industriale, e ha funzionato.
"Questa è stata davvero una partnership in cui abbiamo riunito i migliori ricercatori nei loro campi per rendere una vecchia idea davvero vincente, " ha detto Kortshagen. "Avevamo l'esperienza nella realizzazione delle nanoparticelle di silicio ei nostri partner a Milano avevano esperienza nella fabbricazione dei concentratori luminescenti. Quando tutto si è riunito, sapevamo di avere qualcosa di speciale".
