Termofotovoltaico: così i pannelli renderanno il 50% in più

Un piccolo dispositivo PETE composto da nitruro di gallio rivestito di cesio, brilla durante la fase di sperimentazione all'interno di una camera sotto vuoto spinto. Imagecredit: Nick Melosh - Stanford University

Scoperto dai ricercatori della Stanford University, un nuovo processo di conversione dell’energia solare promette di portare il fotovoltaico sul podio delle future fonti di energia. Il sistema combina simultaneamente la luce e il calore della radiazione solare per generare elettricità, raggiungendo potenzialmente il doppio dell’efficienza dei pannelli costruiti secondo le attuali tecnologie.

Il processo è conosciuto con l’acronimo di PETE, photon enhanced thermionic emission (emissione di fotoni potenziati [con metodo] termoionico) e potrebbe ridurre sensibilmente il costo della produzione di energia dal sole, fino a competere egregiamente con le più economiche risorse fossili, surclassandole.

A differenza della tecnologia fotovoltaica attualmente in uso nei pannelli solari, che diventa meno efficiente al crescere della temperatura, il nuovo processo eccelle proprio alle temperature più elevate.

Nick Melosh - Università di Stanford

“Questa è davvero una svolta concettuale, un nuovo processo di conversione energetica, non solo un nuovo materiale o una modifica di un processo esistente“, dice Nick Melosh, assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali, che ha guidato il gruppo di ricerca. “In realtà è qualcosa di fondamentalmente diverso su come è possibile ricavare energia, con materiali economici e facilmente reperibili.” Il risultato della ricerca completo di tutti i test è stato pubblicato il 1 agosto nella rivista scientifica Nature Materials.

La maggior parte delle celle fotovoltaiche utilizzano un semiconduttore per convertire l’energia dei fotoni in energia elettrica, ma possono utilizzare solo una porzione dello spettro luminoso, mentre il resto delle radiazioni generano solo calore. Questa energia termica viene completamente sprecata e le inefficienze intrinseche delle celle costituiscono la perdita di oltre il 50% dell’energia potenzialmente utilizzabile.

Il team di Melosh ha dimostrato che ricoprendo un materiale semiconduttore come il nitruro di gallio con uno strato di cesio metallico, si ottiene un componente in grado di sfruttare il doppio effetto, termico e luminoso, per ricavare energia, un risultato mai raggiunto fino a questo momento. Inoltre, mentre le normali celle solari risentono di una certa degradazione nel tempo a causa del calore, questo nuovo metodo beneficia proprio delle alte temperature, e il suo picco di efficienza non viene compromesso fino a oltre 200°C.

Siccome le prestazioni migliori si ottengono alle alte temperature, questo sistema si presta perfettamente all’utilizzo nei nuovi sistemi fotovoltaici a concentrazione, i quali raggiungono anche temperature di 800°C, impiegabili ad esempio nei nuovi progetti come la fattoria solare in progettazione nel deserto del Mojave  in California.

Il professor Nick Melosh nel suo laboratorio spiega il nuovo sistema

Secondo Melosh, la tecnologia PETE potrebbe arrivare fino al 50% di efficienza o più con il solare a concentrazione, ma se combinata con un ciclo di conversione termica, come quello termodinamico, potrebbe raggiungere addirittura il 60%, quasi triplicando l’efficienza dei sistemi esistenti. Il team vorrebbe progettare o nuovi dispositivi in modo che siano facilmente integrabili con i sistemi attuali, limitando in parte gli investimenti necessari per il loro sfruttamento.

Il nitruro di gallio che è stato utilizzato nei primi test, tuttavia, limita la resa complessiva teorizzata, anche se in parte è un effetto voluto proprio per testare un materiale con elevata resistenza alle alte temperature. Altri composti, come ad esempio l’arseniuro di gallio già impiegato nelle tecnologie del fotovoltaico, potrebbero portare le rese energetiche ai livelli calcolati.

Non è trascurabile inoltre che la quantità di materiale attivo per i pannelli, con questa tecnologia è decisamente inferiore agli standard attuali.

Il processo PETE potrebbe davvero stimolare una grande crescita nel settore del fotovoltaico, anche se non raggiunge subito i favolosi rendimenti promessi, diciamo che anche solo un aumento iniziale del 10% sull’efficienza di conversione dell’energia solare, passando dal 20 al 30 per cento, metterebbe in seria discussione ogni altra forma di produzione di energia da fonti non rinnovabili, come il petrolio, il carbone o il nucleare, riducendole in poco tempo ad un vergognoso ricordo dell’inettitudine umana.

La ricerca è stata in gran parte finanziata dal Global Climate and Energy Project dell’Università di Stanford e dallo Stanford Institute for Materials and Energy Science, una joint venture tra Stanford e SLAC National Accelerator Laboratory, con ulteriore sostegno da parte del Dipartimento di energia (DoE) e il Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA).

Fonte: Stanford Report, Università di Stanford