I ricercatori hanno mostrato come modificare i wafer di silicio disponibili in commercio in una struttura che assorbe in modo efficiente l'energia solare e resiste alle alte temperature necessarie per gli impianti di "energia solare concentrata" che potrebbero funzionare fino a 24 ore al giorno.

La ricerca fa avanzare gli sforzi globali per progettare sistemi ibridi che combinano celle solari fotovoltaiche, che convertono la luce visibile e ultravioletta in elettricità, dispositivi termoelettrici che convertono il calore in elettricità, e turbine a vapore per generare elettricità. I dispositivi termoelettrici e le turbine a vapore sarebbero azionati dal calore raccolto e immagazzinato utilizzando specchi per focalizzare la luce solare su un "assorbitore solare e riflettore selettivo".

Per raccogliere in modo efficiente il calore del sole, sono necessarie superfici appositamente progettate basate su materiali a basso costo per assorbire selettivamente solo fotoni da un certo intervallo dello spettro luminoso mentre ne riflettono altri.

"Il punto chiave è che per catturare la luce solare nel modo più efficiente possibile devi fare due cose che competono tra loro:una è assorbire quanta più energia possibile dal sole, ma in secondo luogo, non ri-irradiare quel potere, " ha detto Peter Bermel, un assistente professore presso la School of Electrical and Computer Engineering della Purdue University. "Se fai qualcosa di veramente caldo, inizia a brillare di rosso, e stiamo cercando di impedire che si verifichi questa riemissione mentre continuiamo ad assorbire la luce del sole".

Ha guidato un team di ricerca che ha dimostrato come modificare un wafer di silicio per resistere a temperature che si avvicinano a 535 gradi Celsius senza perdere stabilità o prestazioni.

"In questo studio, usiamo wafer di silicio standard come piattaforma per progettare, fabbricare, e caratterizzano una struttura in grado di assorbire molta luce solare, senza irradiare tanto calore, " ha detto. "Aggiungiamo uno strato sulla parte superiore e inferiore per dargli una maggiore capacità di assorbire la luce solare, riflettendo anche lunghezze d'onda più lunghe."

I risultati sono dettagliati in un articolo apparso online il 3 aprile sulla rivista Lettere di fisica applicata .

"Questo lavoro mostra che la conversione dell'energia solare termica altamente efficiente può essere ottenuta con strutture molto semplici e materiali comuni, " ha detto lo studente laureato Zhiguang Zhou. "Questo è un passo fondamentale verso applicazioni reali, e speriamo che ispiri ulteriori sforzi lungo questo percorso".

Il dispositivo solare al silicio contiene uno strato superiore di un rivestimento antiriflesso in nitruro di silicio e uno strato riflettente posteriore in argento.

''Abbiamo dimostrato sperimentalmente l'assorbitore solare selettivo, mostrando alta efficienza alle alte temperature, " ha detto lo studente laureato Hao Tian. "La struttura è facile da fabbricare e stabile a temperature elevate rilevanti per applicazioni di energia solare concentrata.''

A complicare la ricerca è che le proprietà del materiale cambiano drasticamente mentre si passa dalla temperatura ambiente a circa 500 gradi Celsius. Estendere il lavoro precedente dei ricercatori nel campo, il team ha sviluppato un modello dettagliato che simula il modo in cui le proprietà del materiale cambiano con l'aumento della temperatura. Il modello ha aiutato i ricercatori a progettare la struttura costruita con wafer di silicio, e ha portato alla scoperta che un assorbitore selettivo fatto di sottili film di silicio può esibire prestazioni ancora più elevate.

Allo stesso tempo, la flessibilità dei film sottili offre potenziali vantaggi, poiché possono essere applicati a strutture curve come i "canali parabolici" specchiati utilizzati per i sistemi solari a concentrazione. Gli avvallamenti seguono il sole tutto il giorno, concentrando l'energia del sole di circa 50 volte.

"Non solo questi film sottili sembrano avere prestazioni migliori, ma sono molto flessibili, in modo da poter rivestire qualsiasi superficie, " ha detto Bermel.

Idealmente, il sistema ibrido a energia solare potrebbe raggiungere efficienze superiori al 50 percento, rispetto al 31% delle sole celle fotovoltaiche. I ricercatori hanno stimato che con una concentrazione di 50 soli prodotti con i trogoli parabolici, è possibile convertire il 51,5% della luce solare in utilizzabile, calore di alta qualità a 490 gradi Celsius.

L'articolo sulle lettere di fisica applicata è stato scritto da Tian e Zhou; studente universitario Tianran Liu; la studentessa Cindy Karina dell'Istituto Federale Svizzero di Tecnologia; Urcan Guler, associato di ricerca post-dottorato alla Purdue; Vladimir Shalaev, il Distinguished Professor Bob e Anne Burnett in Ingegneria Elettrica e Informatica; e Bermel.

"Questi risultati completano il nostro lavoro precedente nella progettazione di sistemi solari ibridi e rappresentano uno dei componenti sperimentali chiave di un sistema di energia solare con storage integrato per la generazione di energia solare 24 ore su 24, " ha detto Bermel.

La ricerca futura includerà il lavoro per studiare l'approccio flessibile basato sul film sottile. L'obiettivo a lungo termine è incorporare tutti i componenti in un sistema funzionante per la generazione continua di elettricità. Tali sistemi potrebbero trovare applicazioni sia per la generazione di energia su larga scala che per piccoli sistemi residenziali.