A differenza di un sistema a celle multifotovoltaiche in cui la luce emessa viene assorbita da una cella successiva (a sinistra), il convertitore fotovoltaico non reciproco a cella singola proposto da Sergeev e Sablon (a destra) fa sì che la luce emessa venga riassorbita dalla cella stessa, limitando le perdite di emissione senza il necessità di celle fotovoltaiche aggiuntive. Credito:Sergeev e Sablon, Journal of Photonics for Energy (2022) DOI:10.1117/1.JPE.12.032207.
L'energia solare è un candidato popolare per un'alternativa sostenibile ai combustibili fossili. Una cella solare, o cella fotovoltaica (PV), converte la luce solare direttamente in elettricità. Tuttavia, l'efficienza di conversione non è stata sufficiente per consentire applicazioni diffuse delle celle solari.
Un limite fondamentale alla massima efficienza dei dispositivi fotovoltaici è dato dalle caratteristiche termodinamiche, ovvero temperatura ed entropia (misura del disordine in un sistema). Più specificamente, questo limite, noto come limite di Landsberg, è imposto dall'entropia della radiazione del corpo nero che è spesso attribuita alla luce solare. Il limite di Landsberg è ampiamente considerato come il limite più generale per l'efficienza di qualsiasi convertitore di luce solare.
Un altro limite, chiamato limite Shockley-Queisser (SQ), deriva dalla legge di Kirchhoff, che afferma che l'assorbimento e l'emissività dovrebbero essere uguali per qualsiasi energia fotonica e per qualsiasi direzione di propagazione. Questo è essenzialmente il principio del "bilanciamento dettagliato" che ha governato il funzionamento delle celle solari per decenni. La legge di Kirchhoff è, infatti, una conseguenza di quella che viene chiamata "simmetria di inversione temporale". Un modo per aggirare il limite SQ è, quindi, rompere questa simmetria consentendo alla luce di propagarsi solo lungo una direzione. In parole povere, il limite SQ può essere superato se il convertitore FV assorbe di più ed emette meno radiazioni.
In un nuovo studio pubblicato sul Journal of Photonics for Energy (JPE ), i ricercatori Andrei Sergeev dello US Army Research Laboratory e Kimberly Sablon dell'Army Futures Command e della Texas A&M University propongono un modo per superare il limite SQ utilizzando "strutture fotoniche non reciproche" che possono ridurre drasticamente le emissioni di un convertitore fotovoltaico senza intaccarne il totale assorbimento della luce.
La ricerca esplora un progetto fotovoltaico a cella singola integrato con componenti ottici non reciproci per fornire un riutilizzo del 100 percento della radiazione emessa dalla stessa cella a causa del riciclaggio non reciproco dei fotoni. Ciò è in contrasto con i progetti precedenti, che consideravano un convertitore fotovoltaico con diverse celle multigiunzione, disposte in modo tale che la luce emessa da una cella fosse assorbita da un'altra.
Seguendo i lavori seminali di Lorentz, von Laue, Einstein, Landau, Brillouin e Schrödinger, Sergeev e Sablon discutono anche dell'entropia della luce solare in termini di coerenza, relatività, distribuzioni di non equilibrio, disordine, informazione e negentropia. Gli autori osservano che contrariamente alla radiazione fortemente disordinata all'interno del sole, i fotoni alla luce solare si muovono lungo linee rette in un angolo solido stretto. Per Sergeev e Sablon, questa osservazione suggerisce che la luce solare ci fornisce una vera energia verde e la sua efficienza di conversione dipende solo da come la convertiremo.
Gli autori hanno mostrato che per la radiazione quasi monocromatica, il convertitore fotovoltaico a cella singola non reciproco ha raggiunto la "efficienza di Carnot" teoricamente massima, l'efficienza di un motore termico ideale, che supera il limite di Landsberg. Questo era anche il caso della radiazione multicolore (caratteristica della luce solare).
È interessante notare che questo ha contribuito a risolvere un paradosso termodinamico relativo a un diodo ottico. Il paradosso affermava che un diodo ottico potrebbe aumentare la temperatura dell'assorbitore al di sopra della temperatura del sole consentendo solo la propagazione della luce unidirezionale. Ciò violerebbe la seconda legge della termodinamica. Lo studio ha mostrato che sarebbe necessario un numero infinito di riciclaggi di fotoni per raggiungere l'efficienza di Carnot e, quindi, violare la legge.
Inoltre, i ricercatori hanno generalizzato le considerazioni termodinamiche alle distribuzioni di fotoni di non equilibrio con potenziale chimico diverso da zero indotto dalla luce e hanno derivato l'efficienza limitante di un convertitore fotovoltaico a cella singola non reciproco.
"Questa ricerca è stata motivata da rapidi progressi nell'ottica non reciproca e dallo sviluppo di materiali fotovoltaici a basso costo con un'elevata efficienza quantistica", afferma Sergeev, citando in particolare i materiali di perovskite e osservando:"Una debole ricombinazione non radiativa in questi materiali consentirebbe un miglioramento avanzato della Conversione fotovoltaica tramite gestione dei processi radiativi."
Con l'aumento delle strutture fotoniche non reciproche, nel prossimo futuro è prevedibile lo sviluppo di convertitori FV ad alta efficienza. Mentre la ricerca di soluzioni sostenibili alla crisi energetica mondiale continua, questo studio offre molte speranze per la tecnologia delle celle solari. + Esplora ulteriormente
