Una nuova ricerca condotta dal professor Chunlei Guo e dal suo team presso l’Università di Rochester ha portato a un’innovazione rivoluzionaria neiGeneratori Termoelettrici Solari(STEG). Sfruttando l’esclusiva tecnologia delmetallo nero e avanzate strategie digestione termicail team ha sviluppato un dispositivo STEG15 più efficientedei modelli precedenti. Questo progresso non si basa su nuovi materiali semiconduttori masull’ottimizzazione delle superfici calde e freddedel dispositivo, aprendo nuove possibilità per l’energia rinnovabile decentralizzata e leapplicazioni off-grid,ovvero impianti non connessi alla rete.
STEG e fotovoltaico: il problema dell’efficienza
GliSTEGdifferiscono daipannelli solari fotovoltaici(PV) tradizionali in quanto convertono ilcalore(invece dellaluce diretta) inelettricitàtramite l’effetto Seebeck, che genera energia da una differenza di temperatura tra un lato caldo e un lato freddo.
Storicamente, l’efficienza degli STEG era molto bassa: convertivanomeno dell’1% della luce solarein elettricità, rispetto a circa il20%(valore peraltro in evidente crescita negli ultimi anni) per i sistemi a pannelli solari residenziali. Questo gap di efficienza ha limitato la loro diffusione.
L’innovazione della ricerca: concentrarsi sulle superfici, non sui materiali
Il progresso chiave di questa ricerca risiede nello spostamento dell’attenzione dai materiali semiconduttori, che hanno visto solo modesti guadagni nell’efficienza complessiva per decenni, allariprogettazione delle superfici del dispositivo.
“In questo studio, non abbiamo nemmeno toccato i materiali semiconduttori” spiega Guo. “Combinando unmigliore assorbimento dell’energia solare e l’intrappolamento del caloresul lato caldo con una migliore dissipazione del calore sul lato freddo, abbiamo ottenuto un sorprendente miglioramento dell’efficienza.”
Il team ha implementato tre strategie interconnesse per ottenere un aumento di 15 volte delle prestazioni:
Il lato caldo dello STEG è stato trasformato utilizzando una tecnologia proprietaria basata supotenti impulsi laserafemtosecondiper incidere le superfici metalliche con strutture suscala nanometrica. In questo modo il tungsteno viene trasformato in ‘metallo nero’ cheassorbe oltre l’80 percento delle lunghezze d’onda solaririducendo al minimo la dissipazione del calore ad altre lunghezze d’onda.
Questa tecnicaaumenta la generazione termoelettricadel130%rispetto al tungsteno non trattato, permettendo alla superficie di assorbire l’energia solare come unaspugnapur trattenendo il calore che raccoglie.
Un mini effetto serra
Per trattenere ulteriormente il calore sul lato caldo è stata applicata una semplice ma efficace copertura. Un sottile strato di plastica,come la pellicola di una serra agricola, intrappola più calore sul lato caldo. Il dottor Guo descrive questa tecnica “Unamini serra, proprio come in una fattoria. Si può minimizzare la convezione e la conduzione per intrappolare più calore, aumentando la temperatura sul lato caldo.”
Per massimizzare la differenza di temperatura, il lato freddo è stato riprogettato perdissipare il calore in modo eccezionalmente efficiente. L’alluminio è stato testurizzato al laser in un micro dissipatore di calore ad alta capacità, raddoppiandone le prestazioni di raffreddamento.
Anche in questo caso abbiamo un’incisione laser a femtosecondi, che sull’alluminio crea minuscole strutture in grado di migliorare la dissipazione del calore sia per irraggiamento che per convezione. Rendendo il lato freddo più freddoil divario di temperatura tra i due lati cresce, esattamente quel che serve per aumentare la produzione di energia.
Implicazioni e applicazioni future
L’aumento di efficienza apre la strada auna vasta gamma di applicazioni pratiche, specialmente in contesti dove i pannelli solari tradizionali sono meno efficaci.
Potenziamento dei LED: Il team ha dimostrato il proprio progresso alimentando LED a livelli di luminosità impossibili per i STEG convenzionali.
Energia decentralizzata e off-grid: gli STEG sono piccoli, a stato solido e in grado di prelevare energia sia dalla luce solare diretta che dal calore circostante. Ciò li rende ideali per villaggi remoti, fattorie o persino veicoli spaziali dove ingombranti pannelli solari sono impraticabili; sensori agricoli nell’Africa subsahariana che funzionano indefinitamente senza batterie.
Sensori wireless per l’Internet delle Cose(IOT), dispositivi indossabili e sensori remoti potrebbero funzionare con il calore ambientale senza frequenti cambi di batteria.
Complemento al fotovoltaico
Il lavoro è visto comecomplementare, non un sostituto, delfotovoltaico convenzionale. Un futuro ibrido potrebbe accoppiare pannelli solari per alta efficienza durante le ore di punta con STEG che recuperano il calore di scarto edestendono l’energia nella notte. Inoltre, la tecnica basata sul laser è scalabile, adattabile e rispettosa dell’ambiente, il che suggerisce il potenziale per una produzione mainstream.
L’innovazione del professor Guo e del suo team rappresenta un significativo salto di qualità nella tecnologia STEG. Concentrandosi suun approccio ingegneristico intelligente che ottimizza l’interazione del dispositivo con il calorepiuttosto che affrontare le sfide intrinseche dei materiali semiconduttori, hanno sbloccato un potenziale prima irraggiungibile. Questa tecnologia del “metallo nero” promette di rendere l’energia solare termoelettrica una soluzione pratica e versatile per una vasta gamma di esigenze energetiche, in particolare per le applicazioni decentralizzate e a bassa potenza.
La ricerca15-Fold increase in solar thermoelectric generator performance through femtosecond-laser spectral engineering and thermal managementè stata pubblicata su Light: Science & Applications (DOI: 10.1038/s41377-025-01916-9)
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