Pannelli solari a forma di garofano: petali di un fiore per generare ed immagazzinare l'energia solare

Quando si pensa ad un pannello fotovoltaico, solitamente si pensa a una superficie piatta, di grandi dimensioni e non certamente dall'elevata bellezza estetica, ma stavolta ci si sbaglia. E' in arrivo dal settore del fotovoltaico che segue le forme della natura, il primo pannello solare a forma di garofano, dotato di petali sottili realizzati con celle solari in solfuro di germanio (GeS), un materiale semiconduttore in grado di produrre energia dalle radiazioni solari, ma anche di immagazzinarla.

Il progetto è stato ideato e sviluppato da un team di ricercatori dell'Università del Nord Carolina, negli Satati Uniti, il quale ha creato in laboratorio delle speciali strutture simili a garofani e peonie, dalle linee eleganti e che seguono le forme della natura. I petali sono caratterizzati da colori tenui e sono costituiti da celle solari in solfuro di germanio (GeS), un materiale semiconduttore che genera energia fotovoltaica e riesce ad immagazzinarla e conservarla in modo da utilizzare la sua produzione nel momento in cui si ha maggiore bisogno.

I petali del pannello fotovoltaico a garofano: costruzione dei nano-fiori tecnologici

I petali del garofano fotovoltaico presentano uno spessore di alcune decine di nanometri in grado (circa 20 o 30), però, in grado di sostenere una superficie ampia atta ad incamerare l'energia solare, assorbire la luce nei pannelli solari e produrre energia da fonti rinnovabili, in un semplice processo simile alla fotosintesi clorofilliana. Sono anche chiamati nano-fiori tecnologici in grado di raggiungere una maggiore efficienza energetica delle batterie al litio e delle celle solari.

Il fiore fotovoltaico presente nell'ambito della sperimentazione di nuove forme per lo sfruttamento dell'irraggiamento solare viene realizzato in maniera del tutto particolare: fiori simili a super-condensatori sono stati riscaldati da alcuni scienziati in una fornace della polvere di GeS fino alla sua trasformazione in vapori, risucchiati verso la parte più fredda del forno, in cui il GeS ritorna solido e si deposita su superfici di 20-30 nanometri di spessore e 100 micrometri di lunghezza.

Con il sovrapporsi degli strati, le strutture solari costituite dal solfuro di germanio iniziano a ramificarsi assumendo la forma dei petali di garofano: il solfuro di germanio è, infatti, particolarmente adatto per la realizzazione di celle solari in quanto presenta un costo di gran lunga inferiore rispetto al silicio tradizionale utilizzato per la produzione dei pannelli solari e non presenta nessun grado di tossicità. Inoltre, il pannello solare a forma di garofano viene realizzato in laboratorio nel rispetto dei requisiti in materia ambientale e delle normative vigenti nell'obbligo della riduzione delle emissioni inquinanti.

(Il nanofiore tecnologico realizzato dall'Università del Nord Carolina: nell'immagine sono visibili i sottili petali che appaiono molto simili ad un fiore reale)

Le applicazioni dei nano-fiori tecnologici

L'innovazione del pannello solare a forma di garofano e della tecnologia dei nano-fiori tecnologici è di particolare rilevanza nelle applicazioni su strumenti e apparecchi della nostra vita quotidiana: l'obiettivo è quello di aumentare la durata delle batterie al litio e della produzione di celle solari altamente efficienti. Infatti, sfruttando la forma dei petali del fiore si ha la possibilità di immagazzinare una maggiore quantità di energia solare.

I nano-fiori tecnologici, inoltre, non hanno un costo di produzione elevato e possono essere prodotti e commercializzati su larga scala: il primario obiettivo sul mercato potrebbe essere la produzione di batteria hi-tech e celle solari sempre per l'accumulo dell'energia prodotta, aumentando sensibilmente l'autonomia dalla corrente elettrica.

Il documento e la pubblicazione degli studi sul nano-fiore tecnologico a forma di garofano

Il progetto del pannello solare a forma di garofano è contenuto nel documento "Role of Boundary Layer Diffusion in Vapor Deposition Growth of Chalcogenide Nanosheets: The Case of GeS", pubblicato online sulla rivista ACS Nano e sostenuto dall'ufficio di ricerca dell'esercito americano.

Il documento degli studi di progettazione e realizzazione del nanofiore tecnologico è stato scritto da:

• Cao, il dottor Chun Li, ex ricercatore post-dottorato presso NC State e ora professore presso l'Università di Scienza Elettronica e Tecnologia della Cina;
• Huang Liang, ex studente esterno;
• Gayatri PongUr snigdha, ex studente universitario a NC State;
• Yifei Yu, ex studente universitario della NC State.

Per ricapitolare: i vantaggi del pannello fotovoltaico a forma di garofano

La struttura del pannello solare a garofano presenta delle piccole dimensioni, perfetto per l'installazione anche in piccoli spazi, anche se la superficie utille per l'assorbimento delle radiazioni solari risulta ampia e ben posizionata per accumulare in maniera ottimale l'irraggiamento solare: il pannello offre la possibilità di catturare la luce solare con le batterie al litio o direttamente nei pannelli solari.

Il pannello solare a forma di garofano sfrutta le potenzialità del solfuro di germanio, come detto sopra, per le sue proprietà di conduzione, presentandosi simile alla grafite, ma differente per struttura atomica, rendendolo capace di assorbire energia solare e convertirla in energia utilizzabile, con basso impatto ambientale e grado di tossicità, abbattendo sensibilmente le emissioni inquinanti durante la produzione dello stesso pannello, la generazione elettrica da fonti rinnovabili e lo smaltimento a fine di vita operativa.

Inoltre, il solfuro di germanio è un materiale particolarmente duttile, che permette di avere una produzione di corrente elettrica molto elevata: dagli studi di laboratorio è emerso che i nanofiori possono essere utilizzati anche nella produzione delle stesse celle solari, grazie al processo di produzione altamente ecosostenibile e con costi minori rispetto al tradizionale uso del solo silicio.