Un nuovo approccio alla raccolta dell'energia solare, sviluppato da ricercatori del MIT, potrebbe migliorare l'efficienza utilizzando la luce solare per riscaldare un materiale ad alta temperatura la cui radiazione infrarossa verrebbe poi raccolta da una cella fotovoltaica convenzionale. Questa tecnica potrebbe anche rendere più facile immagazzinare l'energia per un uso successivo, dicono i ricercatori.

In questo caso, l'aggiunta del passaggio in più migliora le prestazioni, perché permette di sfruttare lunghezze d'onda della luce che normalmente vanno sprecate. Il processo è descritto in un articolo pubblicato questa settimana sulla rivista Nanotecnologia della natura , scritto dallo studente laureato Andrej Lenert, professore associato di ingegneria meccanica Evelyn Wang, professore di fisica Marin Soljačić, principale ricercatore Ivan Celanović, e altri tre.

Una cella solare convenzionale a base di silicio "non sfrutta tutti i fotoni, " Spiega Wang. Questo perché convertire l'energia di un fotone in elettricità richiede che il livello di energia del fotone corrisponda a quello di una caratteristica del materiale fotovoltaico (PV) chiamata bandgap. La banda proibita del silicio risponde a molte lunghezze d'onda della luce, ma ne mancano molti altri.

Per far fronte a tale limitazione, il team ha inserito un dispositivo assorbitore-emettitore a due strati, realizzato con nuovi materiali, tra cui nanotubi di carbonio e cristalli fotonici, tra la luce solare e la cella fotovoltaica. Questo materiale intermedio raccoglie energia da un ampio spettro di luce solare, riscaldamento durante il processo. Quando si scalda, come con un pezzo di ferro che arde incandescente, emette luce di una particolare lunghezza d'onda, che in questo caso è sintonizzato per corrispondere al bandgap della cella fotovoltaica montata nelle vicinanze.

Questo concetto di base è stato esplorato per diversi anni, poiché in teoria tali sistemi solari termofotovoltaici (STPV) potrebbero fornire un modo per aggirare un limite teorico sull'efficienza di conversione dell'energia dei dispositivi fotovoltaici basati su semiconduttori. quel limite, chiamato limite di Shockley-Queisser, impone un limite del 33,7 per cento a tale efficienza, ma Wang dice che con i sistemi TPV, "l'efficienza sarebbe significativamente più alta, idealmente potrebbe essere superiore all'80%".

Ci sono stati molti ostacoli pratici alla realizzazione di quel potenziale; esperimenti precedenti non sono stati in grado di produrre un dispositivo STPV con un'efficienza superiore all'1%. Ma Lenerto, Wang, e il loro team ha già prodotto un dispositivo di prova iniziale con un'efficienza misurata del 3,2 percento, e dicono che con un ulteriore lavoro si aspettano di poter raggiungere il 20 percento di efficienza, abbastanza, dicono, per un prodotto commercialmente valido.

Il design del materiale assorbitore-emettitore a due strati è la chiave di questo miglioramento. Il suo strato esterno, di fronte alla luce del sole, è una matrice di nanotubi di carbonio a parete multipla, che assorbe in modo molto efficiente l'energia della luce e la trasforma in calore. Questo strato è strettamente legato a uno strato di un cristallo fotonico, che è precisamente progettato in modo che quando viene riscaldato dallo strato attaccato di nanotubi, "si illumina" di luce la cui intensità di picco è per lo più al di sopra del bandgap del PV adiacente, garantendo che la maggior parte dell'energia raccolta dall'assorbitore venga poi trasformata in energia elettrica.

Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno usato la luce solare simulata, e ha scoperto che la sua massima efficienza arrivava quando la sua intensità era equivalente a un sistema di messa a fuoco che concentra la luce solare di un fattore di 750. Questa luce ha riscaldato l'emettitore-assorbitore a una temperatura di 962 gradi Celsius.

Questo livello di concentrazione è già molto più basso rispetto ai precedenti tentativi di sistemi STPV, che concentrava la luce solare di un fattore di diverse migliaia. Ma i ricercatori del MIT affermano che dopo un'ulteriore ottimizzazione, dovrebbe essere possibile ottenere lo stesso tipo di miglioramento a concentrazioni di luce solare ancora più basse, rendendo i sistemi più facili da usare.

Un tale sistema, la squadra dice unisce i vantaggi dei sistemi solari fotovoltaici, che trasformano la luce solare direttamente in elettricità, e impianti solari termici, che può avere un vantaggio per l'uso ritardato perché il calore può essere immagazzinato più facilmente dell'elettricità. I nuovi impianti solari termofotovoltaici, dicono, potrebbero fornire efficienza a causa del loro assorbimento a banda larga della luce solare; scalabilità e compattezza, perché si basano sulla tecnologia di produzione dei chip esistente; e facilità di accumulo di energia, a causa della loro dipendenza dal calore.

Alcuni dei modi per migliorare ulteriormente il sistema sono abbastanza semplici. Poiché la fase intermedia del sistema, l'assorbitore-emettitore, dipende dalle alte temperature, la sua dimensione è cruciale:più grande è un oggetto, minore è la superficie che ha in relazione al suo volume, quindi le perdite di calore diminuiscono rapidamente con l'aumentare delle dimensioni. I primi test sono stati eseguiti su un chip da 1 centimetro, ma i test di follow-up verranno eseguiti con un chip da 10 centimetri, dicono.