In una fotocellula quantistica a raccolta di luce, le particelle di luce (fotoni) possono generare in modo efficiente elettroni. Quando si utilizzano due canali assorbenti, l'energia solare che entra nel sistema attraverso i due assorbitori (aeb) genera efficacemente energia nella macchina (M). Credito:Nathaniel Gabor e Tamar Melen
Un'università della California, L'assistente professore di Riverside ha combinato fotosintesi e fisica per fare una scoperta chiave che potrebbe aiutare a rendere le celle solari più efficienti. I risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Nano lettere .
Nathan Gabor è focalizzato sulla fisica della materia condensata sperimentale, e usa la luce per sondare le leggi fondamentali della meccanica quantistica. Ma, si è interessato alla fotosintesi quando nel 2010 gli è venuta in mente una domanda:perché le piante sono verdi? Ha presto scoperto che nessuno lo sa davvero.
Negli ultimi sei anni, ha cercato di aiutare a cambiarlo combinando il suo background in fisica con una profonda immersione nella biologia.
Ha deciso di ripensare la conversione dell'energia solare ponendosi la domanda:possiamo realizzare materiali per celle solari che assorbano in modo più efficiente la quantità fluttuante di energia dal sole. Le piante si sono evolute per fare questo, ma le attuali celle solari a prezzi accessibili - che sono efficienti al massimo del 20% - non controllano questi improvvisi cambiamenti nell'energia solare, ha detto Gabor. Ciò si traduce in un grande spreco di energia e aiuta a prevenire l'adozione su larga scala delle celle solari come fonte di energia.
Gabor, e molti altri fisici della UC Riverside, affrontato il problema progettando un nuovo tipo di fotocellula quantistica del motore termico, che aiuta a manipolare il flusso di energia nelle celle solari. Il design incorpora una fotocellula del motore termico che assorbe i fotoni dal sole e converte l'energia dei fotoni in elettricità.
Sorprendentemente, i ricercatori hanno scoperto che la fotocellula del motore termico quantistico potrebbe regolare la conversione dell'energia solare senza richiedere un feedback attivo o meccanismi di controllo adattivo. Nella tecnologia fotovoltaica convenzionale, che viene utilizzato oggi sui tetti e sui parchi solari, le fluttuazioni dell'energia solare devono essere soppresse da convertitori di tensione e regolatori di retroazione, che riducono drasticamente l'efficienza complessiva.
Il Laboratorio di optoelettronica dei materiali quantistici di Nathan Gabor utilizza tecniche di spettroscopia laser a infrarossi per esplorare la regolazione naturale nelle fotocellule quantistiche composte da semiconduttori bidimensionali. Credito:Max Grossnickle e QMO Lab
L'obiettivo dei team di UC Riverside era progettare la fotocellula più semplice che corrispondesse alla quantità di energia solare proveniente dal sole il più vicino possibile alla richiesta media di energia e sopprimere le fluttuazioni energetiche per evitare l'accumulo di energia in eccesso.
I ricercatori hanno confrontato i due più semplici sistemi di fotocellule quantomeccaniche:uno in cui la fotocellula ha assorbito solo un singolo colore di luce, e l'altro in cui la fotocellula ha assorbito due colori. Hanno scoperto che semplicemente incorporando due canali di assorbimento dei fotoni, piuttosto che uno solo, la regolazione del flusso di energia avviene naturalmente all'interno della fotocellula.
Il principio di funzionamento di base è che un canale assorbe a una lunghezza d'onda per la quale la potenza media in ingresso è elevata, mentre l'altro assorbe a bassa potenza. La fotocellula commuta tra alta e bassa potenza per convertire diversi livelli di energia solare in un'uscita a regime.
Quando il team di Gabor ha applicato questi semplici modelli allo spettro solare misurato sulla superficie terrestre, hanno scoperto che l'assorbimento della luce verde, la porzione più radiante dello spettro di energia solare per unità di lunghezza d'onda, non fornisce alcun beneficio normativo e dovrebbe pertanto essere evitato. Hanno sistematicamente ottimizzato i parametri della fotocellula per ridurre le fluttuazioni dell'energia solare, e ha scoperto che lo spettro di assorbimento sembra quasi identico allo spettro di assorbimento osservato nelle piante verdi fotosintetiche.
I risultati hanno portato i ricercatori a proporre che la regolazione naturale dell'energia trovata nella fotocellula del motore termico quantistico possa svolgere un ruolo fondamentale nella fotosintesi nelle piante, forse spiegando la predominanza delle piante verdi sulla Terra.
Altri ricercatori hanno recentemente scoperto che diverse strutture molecolari nelle piante, comprese le molecole di clorofilla a e b, potrebbe essere fondamentale per prevenire l'accumulo di energia in eccesso nelle piante, che potrebbe ucciderli. I ricercatori dell'UC Riverside hanno scoperto che la struttura molecolare della fotocellula del motore termico quantistico che hanno studiato è molto simile alla struttura delle molecole fotosintetiche che incorporano coppie di clorofilla.
L'ipotesi avanzata da Gabor e dal suo team è la prima a collegare la struttura della meccanica quantistica al verde delle piante, e fornisce una serie chiara di test per i ricercatori che mirano a verificare la regolazione naturale. Ugualmente importante, il loro design consente la regolazione senza input attivo, un processo reso possibile dalla struttura quantomeccanica della fotocellula.
Il documento si chiama "Regolazione naturale del flusso di energia in una fotocellula quantistica verde".
