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Un nuovo modo di utilizzare l'energia del Sole

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I ricercatori hanno dimostrato un nuovo meccanismo per la conversione in energia elettrica sia della luce sia del calore solare. Il nuovo tipo di dispositivo dovrebbe essere più efficiente rispetto alle tradizionali celle solari, che convertono solo la luce in elettricità. Il dispositivo si basa su un principio fisico scoperto e dimostrato dai ricercatori della Stanford University.

Nel loro prototipo, la luce del sole eccita gli elettroni in un elettrodo, e il calore del sole incita gli elettroni eccitati a saltare in un altro elettrodo, generando corrente elettrica. Il dispositivo può essere impiegato per trasmettere il calore di scarto di un motore a vapore e convertire il 50% della luce del sole in energia elettrica.

Le comuni celle solari in silicio convertono circa il 15% della luce del sole in energia elettrica. Più della metà dell'energia solare in arrivo si disperde come calore. Questo perché le materie attive nelle celle solari sono in grado di interagire solo con una particolare banda dello spettro solare e i fotoni al di sotto di un certo livello di energia si limitano a scaldare la cella.

Un modo per superare questo inconveniente è di utilizzare materiali attivi uno sopra l'altro in una cella sola, in modo che utilizzino un più ampio spettro di luce, convertendo più energia dal calore, con un’efficienza fino a circa il 40% in più.

Ma tali cellule sono complesse e costose da realizzare.
Alla ricerca di un modo migliore per sfruttare il calore del sole, Nicholas Melosh di Stanford si è ispirato a sistemi di cogenerazione ad alta efficienza che utilizzano l'espansione del gas per guidare una turbina e il calore della combustione per alimentare un motore a vapore.

Tuttavia i convertitori di energia termica non si affiancano bene con i dispositivi convenzionali per il solare. Le celle solari diventano meno efficaci con il riscaldamento: a circa 100 ° C, una cella di silicio non funziona bene, oltre i 200 ° C, non funzionerà affatto.
La svolta arriva quando i ricercatori di Stanford si rendono conto che la luce nella radiazione solare potrebbe migliorare la conversione di energia in un convertitore di energia termoionica, che è condizionato esclusivamente dal calore.

I convertitori termoionici consistono di due elettrodi separati da un piccolo spazio. Quando l'elettrodo positivo, o catodo, viene riscaldato, gli elettroni nel catodo si agitano e saltano nell'elettrodo negativo, o anodo, guidando una corrente attraverso un circuito esterno. Questi dispositivi sono stati utilizzati per alimentare i satelliti russi, ma non hanno trovato alcuna applicazione sul campo perché necessitano di molto calore, circa 1500 ° C.

Il gruppo di Melosh ha sostituito il catodo tradizionale in cesio con una cialda di materiale semiconduttore che può condurre calore ma anche luce. Quando la luce colpisce il catodo, trasmette la sua energia agli elettroni nel materiale in un modo che è simile a quanto avviene in una cella solare.

Questo tipo di trasferimento di energia non avviene nei metalli utilizzati in passato per i catodi, ma è tipico di materiali semiconduttori. Questo nuovo dispositivo è in grado di operare a temperature più basse rispetto ai convenzionali convertitori termoionici, ma a temperature più alte rispetto a una cella solare.
I ricercatori di Stanford chiamano questo nuovo meccanismo PETE (photon-enhanced thermionic emission). La luce aiuta a sollevare il livello di energia degli elettroni in modo che fluisca.

Il prototipo del gruppo Stanford, utilizza nitruro di gallio come semiconduttore in modo da convertire soltanto circa il 25% dell'energia in luce in elettricità a 200 ° C, e in modo che il rendimento aumenta con la temperatura. Il processo potrebbe essere un vantaggio per le celle solari, perché fa uso di calore, oltre che di luce, ma l’efficienza nei dispositivi deve essere ancora testata. Il gruppo di Stanford sta lavorando proprio a questo scopo.

I ricercatori stanno testando dispositivi realizzati con materiali che sono più adatti alla conversione di energia solare, compreso silicio e arseniuro di gallio. Sono inoltre in via di sviluppo modi per trattare questi materiali in modo che il dispositivo funzioni in modo più efficiente in un intervallo di temperatura tra 400 ° C e 600 ° C. (da Technology Review)   

 

 

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