La chiave per creare un materiale che sarebbe l'ideale per convertire l'energia solare in calore è sintonizzare lo spettro di assorbimento del materiale nel modo giusto:dovrebbe assorbire praticamente tutte le lunghezze d'onda della luce che raggiungono la superficie terrestre dal sole, ma non molto del resto del spettro, poiché ciò aumenterebbe l'energia che viene irradiata dal materiale, e quindi perso nel processo di conversione.

Ora i ricercatori del MIT affermano di aver realizzato lo sviluppo di un materiale che si avvicina molto all'"ideale" per l'assorbimento solare. Il materiale è un cristallo fotonico dielettrico metallico bidimensionale, e ha l'ulteriore vantaggio di assorbire la luce solare da un'ampia gamma di angolazioni e di resistere a temperature estremamente elevate. Forse la cosa più importante, il materiale può anche essere realizzato a buon mercato su larga scala.

La creazione di questo materiale è descritta in un articolo pubblicato sulla rivista Materiale avanzato , co-autore del postdoc del MIT Jeffrey Chou, professori Marin Soljacic, Nicola Zanna, Evelyn Wang, e Sang-Gook Kim, e altri cinque.

Il materiale funziona come parte di un dispositivo solare-termofotovoltaico (STPV):l'energia della luce solare viene prima convertita in calore, che poi fa brillare il materiale, emettendo una luce che può, a sua volta, essere convertita in corrente elettrica.

Alcuni membri del team hanno lavorato su un precedente dispositivo STPV che assumeva la forma di cavità cave, spiega Cho, del Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT, chi è l'autore principale del giornale. "Erano vuoti, c'era aria dentro, " dice. "Nessuno aveva provato a mettere un materiale dielettrico all'interno, quindi l'abbiamo provato e abbiamo visto alcune proprietà interessanti."

Quando si sfrutta l'energia solare, "vuoi intrappolarlo e tenerlo lì, " Dice Chou; ottenere il giusto spettro sia di assorbimento che di emissione è essenziale per prestazioni STPV efficienti.

La maggior parte dell'energia solare ci raggiunge all'interno di una specifica banda di lunghezze d'onda, Cho spiega, che vanno dall'ultravioletto attraverso la luce visibile e nel vicino infrarosso. "È una finestra molto specifica in cui vuoi assorbire, " dice. "Abbiamo costruito questa struttura, e ha scoperto che aveva uno spettro di assorbimento molto buono, proprio quello che volevamo."

Inoltre, le caratteristiche di assorbimento possono essere controllate con grande precisione:il materiale è costituito da un insieme di nanocavità, e "puoi regolare l'assorbimento semplicemente modificando la dimensione delle nanocavità, " dice Cho.

Un'altra caratteristica fondamentale del nuovo materiale, Cho dice, è che è ben abbinato alla tecnologia di produzione esistente. "Questo è il primo dispositivo di questo tipo che può essere fabbricato con un metodo basato sulle attuali... tecniche, il che significa che può essere prodotto su scaglie di wafer di silicio, " Dice Chou, fino a 12 pollici su un lato. Le precedenti dimostrazioni di laboratorio di sistemi simili potevano produrre solo dispositivi di pochi centimetri su un lato con costosi substrati metallici, quindi non erano adatti per passare alla produzione commerciale, lui dice.

Per sfruttare al massimo i sistemi che concentrano la luce solare tramite specchi, il materiale deve essere in grado di sopravvivere indenne a temperature molto elevate, dice Cho. Il nuovo materiale ha già dimostrato di poter sopportare una temperatura di 1, 000 gradi Celsius (1, 832 gradi Fahrenheit) per un periodo di 24 ore senza grave degrado.

E poiché il nuovo materiale può assorbire la luce solare in modo efficiente da un'ampia gamma di angolazioni, Cho dice, "non abbiamo davvero bisogno di inseguitori solari", il che aumenterebbe notevolmente la complessità e il costo di un sistema di energia solare.

"Questo è il primo dispositivo in grado di fare tutte queste cose contemporaneamente, " Dice Chou. "Ha tutte queste proprietà ideali."

Mentre il team ha dimostrato dispositivi funzionanti utilizzando una formulazione che include un metallo relativamente costoso, rutenio, "siamo molto flessibili sui materiali, " dice Chou. "In teoria, potresti usare qualsiasi metallo che possa sopravvivere a queste alte temperature."

"Questo lavoro mostra il potenziale sia dell'ingegneria fotonica che della scienza dei materiali per far progredire la raccolta di energia solare, "dice Paul Braun, un professore di scienza e ingegneria dei materiali presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, che non è stato coinvolto in questa ricerca. "In questo documento, gli autori hanno dimostrato, in un sistema progettato per resistere alle alte temperature, l'ingegnerizzazione delle proprietà ottiche di un potenziale assorbitore solare termofotovoltaico per adattarsi allo spettro del sole. Naturalmente resta ancora molto lavoro per realizzare una pratica cella solare, però, il lavoro qui è uno dei passi più importanti in quel processo."

Il gruppo sta ora lavorando per ottimizzare il sistema con metalli alternativi. Chou si aspetta che il sistema possa essere sviluppato in un prodotto commercialmente valido entro cinque anni. Sta lavorando con Kim sulle applicazioni di questo progetto.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.