Il MIT ha scoperto la cella solare perfetta

Un nuovo studio del MIT ha trovato una soluzione per uno dei problemi fondamentali dell'energia solare: la questione dell'efficienza e il fatto che, nelle celle solari in commercio, gran parte dell'energia solare non può essere utilizzata. Il team di ricercatori afferma di aver scoperto la chiave per una perfetta conversione dell'energia solare, o per lo meno qualcosa che le si avvicina. La soluzione è un nuovo materiale che può assorbire luce da un gran numero di angoli di incidenza e può sopportare le altissime temperature necessarie per una tecnologia ad efficienza massima.

Le celle solari sono normalmente costituite da silicio e sono tutt'altro che perfette. La luce del sole arriva sul suolo terrestre in una grande varietà di forme: tra queste forme (lunghezze d'onda) c'è la luce visibile, ma ci sono anche una quantità significativa di raggi (per noi invisibili) ultravioletti e infrarossi. Le celle solari finora fabbricate funzionano fondamentalmente con la sola gamma di luce visibile.

Questo ha senso, perché la luce visibile è la forma di luce più intensa che raggiunge la superficie della Terra. Molte altre forme, come le microonde e i raggi X, sono per la maggior parte bloccate al di fuori dell'atmosfera terrestre, dove l'intero spettro che raggiunge la Terra si estende ben oltre quello che è conosciuto come il "band gap" della cella solare. Questo gap include la gamma di frequenze all'interno delle quali un materiale è in grado di convertire l'energia solare in energia elettrica.

Il band gap è una caratteristica delle celle solari fotovoltaiche. Queste hanno una struttura nella quale i fotoni, che trasportano la forza elettromagnetica, che solitamente chiamiamo "luce", si scontrano con gli atomi di alcuni materiali. Questo scontro porta una quantità di forza extra a questi atomi, che reagiscono perdendo elettroni. Tutti questi elettroni equivalgono alla corrente elettrica.

Non è molto pratico costruire materiali che possono "raccogliere" fotoni con tutte le quantità specifiche di energia: il materiale usato (solitamente silicio) non consente la conversione in energia elettrica di tutti i fotoni catturati, ma solo di quelli dotati di una certa energia. Questo materiale è adatto solo per una specifica gamma di fotoni in arrivo, il resto viene dissipato in forma di calore.

Potremmo mettere assieme strati di differenti materiali solari uno sull'altro, ognuno dei quali cattura diversi tipi di fotoni, ma diventerebbero troppo dispendioso. Il band gap è un limite insormontabile.

Ci sono, però, altri modi per catturare i fotoni oltre all'effetto fotovoltaico. E lo studio del MIT propone un'alternativa promettente: la tecnologia termo fotovoltaica. Invece di convertire l'energia solare direttamente in corrente, questo metodo la convertirebbe completamente in calore.

Il termofotovoltaico sfrutta il fenomeno quotidiano dell'emissione termica. Sostanzialmente, qualsiasi materiale riscaldato a temperature sopra lo zero assoluto, emetterà alcune radiazioni (fotoni) a causa dell'aumento dell'energia cinetica delle particelle che costituiscono il materiale. Gli elettroni riscaldati inizieranno, così, a produrre fotoni.

L'aspetto innovativo del materiale termofotovoltaico è che può assorbire diverse lunghezze d'onda solari e convertirle in una sola di queste, che a sua volta verrà convertita in corrente grazie a un materiale fotovoltaico standard. Questo processo è illustrato sopra.

Affinché i materiali termofotovoltaici siano abbastanza efficienti, c'è bisogno dell'azione di concentratori di luce solare, una sorta di grandi specchi a schiera che concentrano la luce solare in un unico punto. La concentrazione porta anche una grande quantità di calore ed è necessario puntare quella luce in un determinato luogo. Finché non verrà elaborato un materiale che possa sopportare una grande quantità di energia termica, il termofotovoltaico non potrà sostituire il normale fotovoltaico.

Il team del MIT, guidato dal ricercatore Jeffrey Chou, suggerisce che un nuovo "cristallo bidimensionale di metallo dielettrico fotonico" potrebbe essere la soluzione. Questo tipo di cristallo sarebbe in grado sia di assorbire la luce proveniente da un'ampia gamma di angoli di incidenza, per evitare che il materiale ruoti per "catturare" la luce solare, sia di rimanere efficiente fino a 1000 gradi Celsius.

"Questa è la prima tecnologia di questo tipo che può essere fabbricata con un metodo basato su tecniche che sono già disponibili," ha affermato Chou, "perché può essere costruita con lastre di silicio."

Quasi ogni materiale in grado sopportare temperature molto alte potrebbe andrebbe bene, ma la chiave per far sì che esso funzioni è il modo in cui viene fabbricato. Il segreto del successo di Chou e del suo team sono le nanocavità inserite nel materiale fotovoltaico, che vengono poi riempite con alcuni materiali polarizzati. Queste nanocavità rendono molto semplice la regolazione delle proprietà di emissione/assorbimento del materiale.

Il risultato finale secondo lo studio, pubblicato su Advanced Material, "è una conversione energetica solare-termica su larga scala, economica ed efficiente." Secondo Chou, si potrà arrivare alla commercializzazione di pannelli fototermovoltaici di questo tipo nell'arco dei prossimi cinque anni.