Pannelli solari al carbonio: gli infrarossi al servizio del fotovoltaico

La sperimentazione per l'aumento dell'efficienza dei pannelli solari non si ferma, in particolare negli Stati Uniti. Vediamo la storia e la ricerca nell'ambito delle possibilità dell'utilizzo di un dato elemento, il carbonio, per il tanto ambito obiettivo dell'aumento della capacità fotovoltaica delle celle solari, attualmente fissa su di un valore percentuale solamente corrispondente al 15% per quanto riguarda i modelli posti sul commercio.

La ricerca statunitense 

Già nel 2011, i ricercatori della Northwestern University svilupparono un materiale a base di carbonio potenzialmente in grado di rivoluzionare il settore del fotovoltaico. Recente è la pubblicazione di uno studio sulla rivista scientifica Avanced Energy Materials, pubblicazione specializzata nella scienza dei materiali applicati all'energia, da parte di un gruppo di ricercatori del Mit, il Massachussets Institute of Technology di Boston, con punto focale sulle potenzialità del carbonio come materiale incrementabile notevolmente la potenza energetica dei pannelli solari.

Gli stessi studi, con pubblicazione sulla rivista Acs Nano e la progettazione di un brevetto, sono stati condotti da un team di ricercatori della Stanford University ente presso il quale sono stati realizzati alcuni prototipi delle prime celle solari interamente in carbonio costituite da uno strato di nanotubi in grado di assorbire la luce tra due elettrodi di fullerene, atti al trasporto degli elettroni.

Le scoperte nello specifico

Nello specifico le scoperte riflettono l'adozione di nanotubi di carbonio capaci di captare quella parte di spettro solare che normalmente sfugge e viene solamente riflessa dalle comuni celle fotovoltaiche in silicio e cioè delle frequenze vicine all'infrarosso, corrispondenti al 40% dello spettro totale, invisibili all'occhio umano. Queste frequenze, anche se sfruttate con bassa efficienza, potrebbero aggiungere notevole potenza alle celle fotovoltaiche.  

Le proprietà dei minuscoli e cavi nanotubi, grandi un solo nanometro, variano a seconda del diametro e dell'angolo chirale che descrive la disposizione degli atomi sulla lunghezza del nanotubo metallico o conduttore. I nanotubi metallici sono più efficaci degli attuali semiconduttori trasparenti utilizzati nelle celle solari organiche fino ad un valore di 50 volte.

Le potenzialità del carbonio

Perchè proprio il carbonio? La risposta si riconduce alla grande disponibilità di questo materiale sulla terra, disponibilità che ne determina il basso costo. 

Le celle fotovoltaiche sono caratterizzate da più strati fra i quali è presente un conduttore trasparente che permette il passaggio e la conversione dell'energia solare in energia elettrica. Il suddetto conduttore deve essere quindi funzionale sia per la portata che per la trasparenza, una dualità di caratteristiche fondamentali posseduta da pochi elementi. Gli elettrodi solari sono costituiti da metalli conduttivi insieme all'ossido di indio e stagno, materiali sempre più rari e costosi.

 Per questo si rende fondamentale l'identificazione di nuovi materiali con queste doppie caratteristiche la cui disponibilità sia però al contempo abbondante sul suolo. Il carbonio è inoltre dotato di una grande flessibilità meccanica, caratteristica che consente alle celle solari l'integrazione nei tessuti. 

(Elaborazione grafica di un nanotubo di carbonio)

Le conclusioni

Gli studi sono ancora in fase iniziale e concentrati sul potenziamento dei primi risultati ottenuti, cioè quelli della conversione energetica di una percentaule relativa allo 0,1% del raggio di infrarosso, una grande limitazione relativamente all'ancora troppo scarsa efficienza energetica, di fatto ostacolante la diffusione sul mercato della nuova soluzione. 

(Grafico relativo allo spettro solare elettromagnetico)

In ogni caso, la ricerca continua a muoversi della direzione dello sviluppo di queste celle innovative, che sfrutteranno le strutture cilindriche conduttive composte da atomi di carbonio in modo da poter così essere sovrapposte alle tradizionali strutturazioni in silicio e dare origine ad una nuova e potente tipologia di pannelli in grado di sfruttare l'intero spettro solare per la produzione di energia verde.

Grazie all'utilizzo del carbonio saranno possibili prestazioni incredibilmente più elevate e a basso costo, con la realizzazione di film sottili rivestiti e applicabili alle superfici vetrate di edifici oltre che sostituire elementi costosi e di difficoltoso smaltimento quali silicio, indio e argento. La tecnica di rivestimento avrà anche il potenziale per ridurre i costi di produzione, eludendo strumenti o macchine costose.