Nella ricerca di fonti di energia pulite e rinnovabili il Sole costituisce da decenni una sorta di punto di riferimento e speranza per il futuro, ma con limiti imposti dalla tecnologia disponibile che lo rendevano fino a tempi recenti non concorrenziale con le fonti fossili o il nucleare. Uno di questi limiti era costituito dall’efficienza.
Per efficienza si intende quanta della radiazione solare in condizioni standard denominate 1-sole (135 mW/cm2) una cella fotovoltaica possa convertire in energia elettrica: il limite affinché fosse raggiunta l’agognata concorrenzialità era posto idealmente al 25%. Tale limite è stato ormai raggiunto e superato in laboratorio: tramite l’affinamento del tradizionale silicio, degli innovativi perovskiti o dalla combinazione di entrambi si è arrivati a sfiorare il 30%. Ma esso non rappresenta il record assoluto.
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La tecnologia dei pannelli solari a tripla giunzione era un tempo tipica dei veicoli spaziali: tre strati sovrapposti, ciascuno dei quali in grado di catturare una particolare gamma di radiazioni (rossa, verde e blu). L’effetto fotovoltaico viene in questo modo amplificato. Fra gli altri vantaggi possiamo annoverare una maggior robustezza e durata nel tempo, con un picco di efficienza ancora all’80% dopo vent’anni, la capacità di lavorare anche ad alte temperature (laddove l’efficienza delle celle al silicio diminuisce) e non necessitano di orientamento verso sud con i raggi solari che cadono perpendicolarmente: si possono per esempio realizzare pannelli curvi che si adattino alla forma dell’edificio su cui andranno installati.
Ma se questa tecnologia è al momento limitata nei suoi ambiti di utilizzo è perché vi sono anche degli svantaggi, ovvero l’utilizzo di materiali molto più rari rispetto al silicio e ai perovskiti ovvero il gallio, il fosfuro di indio e l’antimoniuro di gallio e i conseguenti costi decisamente maggiori nella produzione delle strutture basate su questi semiconduttori.
Oggi uno studio proposto dai ricercatori del National Renewable Energy Laboratory (NREL), laboratorio del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti d’America dedicato alla ricerca e allo sviluppo sulle energie rinnovabili e sull’efficienza energetica ubicato a Golden, Colorado, illustra una metodologia in grado di affinare la tecnologia in uso rendendo la produzione di elettricità più efficiente e basata su un design più semplice.
Gli esotici principi della meccanica quantistica sono già applicati in pratica alla vita di tutti i giorni
“Un elemento chiave è che mentre l’arseniuro di gallio è un materiale eccellente comunemente utilizzato nelle celle multigiunzione III-V [dal gruppo di elementi nella tavola periodica cui appartengono i semiconduttori in uso], non ha il gap di banda corretto per una cella a tre giunzioni, il che significa che l’equilibrio delle fotocorrenti tra le tre celle non è ottimale” spiega Ryan France, fisico del NREL.
Nel nuovo studio i ricercatori hanno sfruttato i pozzi quantici: la fisica dietro questo fenomeno è complessa, ma il principio generale consiste nello scegliere e ottimizzare con cura i materiali e renderli il più sottili possibile. Ciò influisce sul bandgap, ovvero la quantità minima di energia richiesta per eccitare gli elettroni e di conseguenza far fluire la corrente.
Le ottimizzazioni apportate includono inoltre un aumento della quantità di luce assorbita senza che vi sia una corrispondente perdita di tensione. Sono state apportate anche molte altre modifiche tecniche per ridurre al minimo le limitazioni. Ciò ha condotto a conseguire la più alta efficienza in condizioni di sole standard rispetto a qualsiasi cella mai realizzata (sebbene ne esistano di più efficienti sotto una radiazione solare particolarmente intensa). Le tecnologie richiedono sempre un certo tempo per passare dal laboratorio all’utilizzo pratico ma i miglioramenti potenziali inducono entusiasmo nei ricercatori.
Le nuove celle rivelano un’efficienza pari al 34,2% nello spazio: peso ridotto e resistenza all’impatto con particelle ad alta energia le rendono particolarmente adatte all’utilizzo in questo ambito. A terra invece l’efficienza è del 39,5%, anche in questo caso un nuovo limite per questo tipo di cella: il record assoluto in campo fotovoltaico sfiora il 50% ma si tratta di celle a sestupla giunzione, più complesse e costose da realizzare.
La ricerca “Triple-junction solar cells with 39.5% terrestrial and 34.2% space efficiency enabled by thick quantum well superlattices“ è stata pubblicata su Joule (maggio 2022).
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