Un concentratore solare luminescente è una tecnologia emergente di raccolta della luce solare che ha il potenziale per interrompere il modo in cui pensiamo all'energia; Potrebbe trasformare qualsiasi finestra in una fonte di energia diurna.

"In questi dispositivi, una frazione della luce trasmessa attraverso la finestra viene assorbita da particelle nanometriche (punti quantici di semiconduttori) disperse in una finestra di vetro, riemesso alla lunghezza d'onda infrarossa invisibile all'occhio umano, e guidato dalle onde a una cella solare sul bordo della finestra, " ha detto Victor Klimov, ricercatore capo del progetto presso il Los Alamos National Laboratory del Dipartimento di Energia. "Utilizzando questo disegno, una finestra quasi trasparente diventa un generatore elettrico, uno che può alimentare il condizionatore d'aria della tua stanza in una giornata calda o un riscaldatore in una fredda."

Questo è ciò che diventa possibile con i nuovi dispositivi - LSC a punti quantici - che saranno disponibili sulla rivista Nanotecnologia della natura nello studio "Concentratori solari luminescenti incolori di grande area altamente efficienti che utilizzano punti quantici colloidali privi di metalli pesanti". Il lavoro è stato svolto dai ricercatori del Center for Advanced Solar Photophysics (CASP) di Los Alamos, guidato da Klimov e dal gruppo di ricerca coordinato da Sergio Brovelli e Francesco Meinardi del Dipartimento di Scienza dei Materiali dell'Università degli Studi di Milano-Bicocca (UNIMIB) in Italia.

Ad aprile 2014, utilizzando speciali punti quantici compositi, la collaborazione italo-americana ha dimostrato il primo esempio di concentratori solari luminescenti di grande area privi di perdite di riassorbimento della luce guidata dalle nanoparticelle. Questo ha rappresentato un progresso fondamentale rispetto alla tecnologia precedente, che si basava su emettitori organici che consentivano la realizzazione di concentratori di pochi centimetri di dimensione.

Però, i punti quantici utilizzati nei precedenti dispositivi di prova del principio erano ancora inadatti per le applicazioni del mondo reale, poiché erano basati sul cadmio, un metallo pesante tossico, ed erano in grado di assorbire solo una piccola parte della luce solare. Ciò ha comportato una limitata efficienza di raccolta della luce e una forte colorazione giallo/rossa dei concentratori, che ne complicavano l'applicazione negli ambienti residenziali.

Klimov, Direttore del CASP, ha spiegato come l'approccio aggiornato risolve il problema della colorazione:"I nostri nuovi dispositivi utilizzano punti quantici di una composizione complessa che include rame (Cu), indio (in), selenio (Se) e zolfo (S). Questa composizione è spesso abbreviata come CISes. È importante sottolineare che queste particelle non contengono metalli tossici che sono tipicamente presenti negli LSC precedentemente dimostrati".

"Per di più, "Klimov ha osservato, "i punti quantici CISes forniscono una copertura uniforme dello spettro solare, aggiungendo così solo una tinta neutra a una finestra senza introdurre alcuna distorsione ai colori percepiti. Inoltre, la loro emissione nel vicino infrarosso è invisibile all'occhio umano, ma allo stesso tempo è ideale per le celle solari più comuni a base di silicio."

Francesco Meinardi, professore di Fisica presso UNIMIB, descritto il lavoro emergente, notando, "Affinché questa tecnologia esca dai laboratori di ricerca e raggiunga il suo pieno potenziale nell'architettura sostenibile, è necessario realizzare concentratori atossici in grado di raccogliere l'intero spettro solare."

"Dobbiamo ancora preservare la capacità chiave di trasmettere la luminescenza guidata senza perdite di riassorbimento, anche se, in modo da affiancare un'elevata efficienza fotovoltaica con dimensioni compatibili con le finestre reali. Anche il fattore estetico è di fondamentale importanza per l'opportunità di una tecnologia emergente, " ha detto Meinardi.

Hunter McDaniel, ex borsista post-dottorato del Los Alamos CASP e attualmente imprenditore di punti quantici (fondatore e presidente di UbiQD), aggiunto, "con una nuova classe di basso costo, punti quantici a basso rischio composti da CISes, abbiamo superato alcuni dei più grandi ostacoli all'implementazione commerciale di questa tecnologia".

"Uno dei restanti problemi da affrontare è la riduzione dei costi, ma già questo materiale è significativamente meno costoso da produrre rispetto ai punti quantici alternativi utilizzati nelle precedenti dimostrazioni LSC, "Ha detto McDaniel.

Un elemento chiave di questo lavoro è una procedura paragonabile al metodo industriale di colata cellulare utilizzato per fabbricare finestre polimeriche di alta qualità ottica. Si tratta di un nuovo protocollo UNIMIB per incapsulare punti quantici in una matrice polimerica trasparente di alta qualità ottica. Il polimero utilizzato in questo studio è un polilaurilmetacrilato reticolato, che appartiene alla famiglia dei polimeri acrilici. Le sue lunghe catene laterali impediscono l'agglomerazione dei punti quantici e forniscono loro l'ambiente locale "amichevole", che è simile a quello della sospensione colloidale originale. Ciò consente di preservare le proprietà di emissione della luce dei punti quantici dopo l'incapsulamento nel polimero.

Sergio Brovelli, il ricercatore capo del team italiano, ha concluso:"Tecnologia per finestre solari a punti quantici, di cui avevamo dimostrato la fattibilità appena un anno fa, diventa ormai una realtà trasferibile al settore nel breve-medio periodo, permettendoci di convertire non solo i tetti, come facciamo adesso, ma tutto il corpo degli edifici urbani, comprese le finestre, in generatori di energia solare."

"Ciò è particolarmente importante nelle aree urbane densamente popolate dove le superfici dei tetti sono troppo piccole per raccogliere tutta l'energia necessaria per le operazioni di costruzione, " ha detto. Propone che le stime del team indichino che sostituendo la vetratura passiva di un grattacielo come il One World Trade Center di New York (72, 000 mq suddivisi in 12, 000 finestre) con la nostra tecnologia, sarebbe possibile generare l'equivalente del fabbisogno energetico di oltre 350 appartamenti.

"Aggiungi a queste cifre notevoli, l'energia che verrebbe risparmiata dalla ridotta necessità di condizionamento grazie all'effetto filtrante dell'LSC, che abbassa il riscaldamento degli ambienti interni grazie alla luce solare, e hai una tecnologia potenzialmente rivoluzionaria verso le città energetiche "a zero", " disse Brovelli.