(Phys.org) — Una finestra di casa che funge anche da pannello solare potrebbe essere all'orizzonte, grazie al recente lavoro sui punti quantici dei ricercatori del Los Alamos National Laboratory in collaborazione con scienziati dell'Università di Milano-Bicocca (UNIMIB), Italia. Il loro progetto dimostra che le proprietà di emissione di luce superiori dei punti quantici possono essere applicate all'energia solare aiutando a raccogliere la luce solare in modo più efficiente.

"Il risultato chiave è la dimostrazione di concentratori solari luminescenti di grandi dimensioni che utilizzano una nuova generazione di punti quantici appositamente progettati, ", ha affermato il ricercatore capo Victor Klimov del Center for Advanced Solar Photophysics (CASP) di Los Alamos.

I punti quantici sono frammenti ultra-piccoli di materia semiconduttrice che possono essere sintetizzati con precisione quasi atomica tramite i moderni metodi della chimica colloidale. Il loro colore di emissione può essere regolato semplicemente variandone le dimensioni. La regolazione del colore è combinata con elevate efficienze di emissione che si avvicinano al 100%. Queste proprietà sono recentemente diventate la base di una nuova tecnologia – i display a punti quantici – impiegata, Per esempio, nell'ultima generazione di e-reader Kindle Fire.

Antenne per la raccolta della luce

Un concentratore solare luminescente (LSC) è un dispositivo di gestione dei fotoni, che rappresenta una lastra di materiale trasparente che contiene emettitori altamente efficienti come molecole di colorante o punti quantici. La luce solare assorbita nella lastra viene riirradiata a lunghezze d'onda maggiori e guidata verso il bordo della lastra dotato di cella solare.

Klimov ha spiegato, "L'LSC funge da antenna per la raccolta della luce che concentra la radiazione solare raccolta da una vasta area su una cella solare molto più piccola, e questo aumenta la sua potenza."

"Gli LSC sono particolarmente attraenti perché oltre ai guadagni in efficienza, possono abilitare nuovi concetti interessanti come le finestre fotovoltaiche che possono trasformare le facciate delle case in unità di generazione di energia di grandi dimensioni, " disse Sergio Brovelli, che ha lavorato a Los Alamos fino al 2012 ed è ora docente presso UNIMIB.

A causa dell'elevata efficienza, emissione personalizzabile e lavorabilità della soluzione, i punti quantici sono materiali attraenti per l'uso in poco costoso, LSC di grandi dimensioni. una sfida, però, è una sovrapposizione tra le bande di emissione e di assorbimento nei punti, il che porta a significative perdite di luce dovute ai punti che riassorbono parte della luce che producono.

"Gigante" ma ancora minuscolo, punti ingegnerizzati

Per superare questo problema i ricercatori di Los Alamos e UNIMIB hanno sviluppato LSC basati su punti quantici con una grande separazione indotta artificialmente tra le bande di emissione e di assorbimento (chiamata grande spostamento di Stokes).

Questi punti quantici ingegnerizzati "Stokes-shift" rappresentano strutture di seleniuro di cadmio/solfuro di cadmio (CdSe/CdS) in cui l'assorbimento della luce è dominato da un guscio esterno ultra spesso di CdS, mentre l'emissione avviene dal nucleo interno di un CdSe a gap più stretto. La separazione delle funzioni di assorbimento e di emissione della luce tra le due diverse parti della nanostruttura determina un ampio spostamento spettrale dell'emissione rispetto all'assorbimento, che riduce notevolmente le perdite per riassorbimento.

Per implementare questo concetto, I ricercatori di Los Alamos hanno creato una serie di punti quantici CdSe/CdS a guscio spesso (i cosiddetti "giganti"), che sono stati incorporati dai loro partner italiani in grandi lastre (dimensionate in decine di centimetri) di polimetilmetacrilato (PMMA). Pur essendo grande per gli standard dei punti quantici, le particelle attive sono ancora minuscole - solo un centinaio di angstrom di diametro. Per confronto, un capello umano è circa 500, 000 angstrom di larghezza.

"Una chiave del successo di questo progetto è stata l'uso di un metodo industriale modificato di cell-casting, abbiamo sviluppato al Dipartimento di Scienza dei Materiali di UNIMIB" ha affermato Francesco Meinardi, professore di Fisica all'UNIMIB.

Le misurazioni spettroscopiche hanno indicato praticamente nessuna perdita al riassorbimento su distanze di decine di centimetri. Ulteriore, i test che utilizzano la radiazione solare simulata hanno dimostrato un'elevata efficienza di raccolta dei fotoni di circa il 10% per fotone assorbito ottenibile in campioni quasi trasparenti, perfettamente adatto per l'utilizzo come finestre fotovoltaiche.

Nonostante la loro elevata trasparenza, le strutture fabbricate hanno mostrato un miglioramento significativo del flusso solare con un fattore di concentrazione superiore a quattro. Questi risultati entusiasmanti indicano che i punti quantici "Stokes-shift-engineered" rappresentano una piattaforma di materiali promettenti. Può consentire la creazione di LSC di ampia area processabili in soluzione con spettri di emissione e assorbimento regolabili in modo indipendente.

Un documento di ricerca, "Concentratori solari luminescenti di ampia area basati su nanocristalli 'Stokes-shift-engineered' in una matrice PMMA polimerizzata in massa, " è pubblicato online questa settimana in Fotonica della natura .