Imbuti solari per concentrare i fotoni sulle celle fotovoltaiche

Non più interi tetti coperti di pannelli fotovoltaici, ma solo dei piccoli spazi con delle mini celle sulle quale i fotoni arrivano passando attraverso un 'imbuto solare'

Pubblicato il 13 settembre 2010

Sfruttando dei nanotubi di carbonio (tubi vuoti di atomi di carbonio), Michael Strano, Jae-Hee Han e Geraldine Paulus, autori dell’articolo pubblicato sulla versione online di Nature Materials, hanno creato un nuovo sistema per concentrare l’energia. Passando attraverso delle antenne formate da nanotubi, l’energia solare viene catturata e concentrata 100 volte di più rispetto a una normale cella fotovoltaica, riducendo così l’ingombro dei dispositivi solari L’antenna consiste di un cavo di fibra lungo circa 10 micrometri (milionesimi di un metro) spesso 4 micrometri, contenente circa 30 milioni di nanotubi di carbonio. Il gruppo di Strano ha costruito una fibra fatta di due strati di nanotubi che hanno proprietà elettriche differenti, cioè bande proibite (bandgap) diverse.

In ogni materiale, gli elettroni si trovano su livelli discreti di energia. Quando un fotone colpisce la superficie, eccita un elettrone che passa a un livello più alto di energia, che è specifico per il materiale. L’interazione tra l’elettrone eccitato e la lacuna elettronica che lascia dietro di se è detto eccitone, e la differenza di energia tra la il livello della lacuna elettronica (hole) e quello dell’elettrone è nota come banda proibita (bandgap).

Lo strato interno dell’antenna contiene dei nanotubi con una banda a bassa energia mentre i nanotubi nello strato esterno hanno una banda ad energia più alta. Questo è importante perché gli eccitoni tendono sempre a passare da uno stato di energia più alto ad uno più basso. In questo caso quindi gli eccitoni dello strato esterno passano nello strato interno dove possono raggiungere uno stato energetico più basso (ma ancora eccitato).

Quando l’energia luminosa colpisce il materiale, tutti gli eccitoni passano al centro della fibra, dove sono concentrati. Strano e i suoi collaboratori non hanno ancora costruito un’apparecchiatura fotovoltaica che usi l’antenna, ma prevedono di realizzarne una che possieda un centro di materiale semiconduttore in cui i fotoni vengono concentrati prima che la cella fotovoltaica li converta in energia elettrica.

L’interfaccia tra il semiconduttore e i nanotubi permette di separare l’elettrone dalla lacuna elettronica: gli elettroni vengono raccolti all’elettrodo in contatto con il semiconduttore interno mentre le lacune vengono raccolte su un elettrodo in contatto con i nanotubi. Questo sistema può quindi generare corrente elettrica. Secondo i ricercatori l’efficienza di una simile cella solare dipende dai materiali usati per l’elettrodo.

Il gruppo di Strano è il primo a costruire fibre di nanotubi nei quali è possibile controllare le proprietà dei diversi strati, un risultato reso possibile dai recenti progressi nella separazione dei nanotubi che presentano proprietà diverse. “Questo lavoro dimostra quanta strada è stata fatta in questo campo nell’ultimo decennio”, afferma Michael Arnold, professore di scienza e energia dei materiali all’Università del Wisconsin a Madison. “Le celle solari che incorporano i nanotubi di carbonio potrebbero diventare una buona alternativa a basso costo alle tradizionali celle in silicio. Ciò che ora necessita di essere dimostrato è se gli eccitoni nel guscio interno possono essere raccolti e convertiti in energia elettrica.”

Mentre il costo dei nanotubi una volta era proibitivo, negli ultimi anni è sceso all’aumentare della capacità produttiva dell’industria chimica. Il gruppo di Strano sta ora lavorando su i modi per minimizzare le perdita di energia quando gli eccitoni scorrono attraverso le fibre, e su i sistemi per generare più di un eccitone per fotone. I fasci di nanotubi descritti nell’articolo perdono circa il 13% dell’energia che assorbono, ma il team sta lavorando su delle nuove antenne che perdono solo l’1%.

Mit: web.mit.edu

Novation Tech verso il Net Zero con il fotovoltaico installato da Centrica Business Solutions
Novation Tech, azienda che opera nella lavorazione e produzione di componenti in fibra di carbonio e materiali compositi di altissima qualità, consolida l’obiettivo di neutralità carbonica al 2030 grazie a due nuovi impianti fotovoltaici con potenza elettrica...
Idrogeno e automotive, gli studi sulla sicurezza supportano la transizione green
Il settore delle energie pulite è in costante evoluzione e innovazione, con l’introduzione di nuove tecnologie sostenibili che stanno rivoluzionando il modo in cui ci spostiamo e utilizziamo l’energia. Tra le fonti energetiche emergenti, l’idrogeno sta guadagnando...
La transizione energetica traina la crescita delle imprese italiane negli Stati Uniti
Un export da podio. A fine 2023 le tecnologie italiane per l’energia, in particolare i sistemi per la produzione elettrica da fonti tradizionali e rinnovabili, la trasmissione e la distribuzione elettrica, collocano gli Stati Uniti quale terzo...
Gestione efficiente e sostenibile dell’acqua con Control Techniques
L’approvvigionamento idrico in aree remote dove non esistono fonti di energia elettrica o dove la fornitura energetica non è affidabile diventa complesso da gestire e necessita di una soluzione sicura ed efficiente. È qui che entra in...
La mappa dell’energia solare in Italia: impianti quasi raddoppiati in due anni
Siamo a 1.603.298 impianti fotovoltaici operativi in Italia, contro i 986.313 del 2021. “Numeri che lasciano ben sperare in merito al raggiungimento degli obiettivi al 2030” sottolinea Edi Lala, fondatore della Multicompel Technology, società con sede in...
Data center e consumi energetici, un aiuto dalle rinnovabili
Che si tratti di energia eolica, solare o idrica, le fonti di energia verde sono destinate a dominare il settore energetico, come spiega Arturo Di Filippi, Offering Director Global Large Power di Vertiv. Come segmento delle energie rinnovabili,...
10 domande e risposte sulle CER: cosa sono, come funzionano, quali i contributi
Cosa sono le CER e come funzionano è ormai noto a tutti: nell’attesa che venisse approvato il Decreto che le riguarda, imprese e cittadini hanno avuto modo e mezzi per informarsi correttamente. Tuttavia, ora che siamo a...
Eolico offshore, l’Italia può offrire un contributo significativo nella decarbonizzazione
Evidenziare il contributo dell’eolico offshore galleggiante al processo di decarbonizzazione del Paese e le ricadute di questa tecnologia sull’economia italiana e le filiere locali. È questo l’obiettivo della Floating Offshore Wind Community, progetto creato da The European...
Energy storage e bilanciamento reti: l’accordo Sparq-CheckWatt
Di Luca Negri – Sales Manager Sparq Anche per il 2023 la domanda di energia rinnovabile è rimasta in costante ascesa in tutta Europa. Le aziende, ma anche i privati, riconoscono sempre più il valore di un...
Fotovoltaico, gli impianti aziendali trainano la tendenza in crescita in Italia
Ancora corsa al fotovoltaico nel 2024. La E.S.Co. EnergRed, impegnata nel sostenere la transizione energetica delle pmi italiane, ha calcolato la tendenza in crescita che già nel 2023 ha portato a sfiorare i 30 GW di potenza...