Autore: Dario Marchetti

Energie rinnovabili

7
Ott

Arrivano le nanoantenne invisibili che non sprecano energia solare

Le nanoparticelle porose fluorescenti sono in grado di catturare e modificare tutta l’energia della luce emessa dal Sole

Il fotovoltaico in Italia rappresenta una fonte energetica molto importante. A renderla tale è anche la particolare configurazione del nostro Paese, grazie alla quale è possibile godere di un’esposizione solare costante e temperature mai eccessivamente rigide anche nel corso dei mesi invernali.

Condizioni che hanno fatto del nostro Paese sin dall’inizio del nuovo millennio uno dei mercati più importanti a livello energetico, reso tale anche dagli incentivi e dai finanziamenti statali che hanno testimoniato lo sforzo dell’Italia nella direzione delle fonti di energia rinnovabili. Ma qual è la situazione odierna nel settore?

Il report del GSE sul fotovoltaico tricolore

A scattare la fotografia del fotovoltaico in Italia è stato il “Rapporto statistico solare fotovoltaico 2017” curato dal GSE (Gestore Servizi Energetici), il quale sottolinea l’incremento registrato alla fine dell’anno preso in considerazione. Una crescita del 2,1% rispetto al periodo immediatamente precedente (fine dicembre 2016), con la potenza totale degli impianti italiani che si è andata ad attestare a quota 19.682 MW, dando luogo ad un incremento di 414MW e 44mila impianti rispetto al 2016. Le regioni più propense ad una svolta green sono la Lombardia, che ha fatto registrare 116.000 installazioni nel 2017 e il Veneto, con 106.211. La regione che produce più potenza è invece la Puglia, con 2.632MW prodotti nel corso del 2017.

I dati di Terna sulla crescita della produzione da fotovoltaico

Ai dati forniti dal GSE occorre poi aggiungere quelli di fonte Terna, i quali sono stati resi noti nel corso di un convegno organizzato da Althesys in occasione del Key Energy di Rimini. In base a questi dati, nel corso dei primi nove mesi del 2018 si sarebbe verificata una ulteriore crescita della produzione da fotovoltaico, la quale si sarebbe attestata a 2,35 miliardi di chilowattora, mettendo a segno un +14,4% rispetto allo stesso periodo del 2017.

Grazie a questi dati il fotovoltaico ha coperto l’8% della produzione elettrica nazionale, tramite impianti della potenza di circa 20 GW. Sempre da questo studio risulta che nel complesso il parco italiano conta 815.000 impianti fotovoltaici i quali producono circa 25 miliardi di chilowattora all’anno. Un dato di tutto riguardo nonostante la flessione notata in coincidenza con la fine del Conto Energia.

Le nanoparticelle invisibili

In questo quadro va naturalmente ad inserirsi l’opera di ricerca portata avanti anche nel nostro Paese, al fine di rendere sempre più efficienti gli impianti solari. L’ultima novità in tal senso è rappresentata dagli emitting porous aromatic frameworks (ePAF), ovvero le nanoparticelle porose fluorescenti in grado di catturare e modificare l’energia della luce emessa dal Sole, alla stregua di piccole antenne invisibili.

Si tratta di un nuovo materiale sviluppato dall’Università di Milano-Bicocca al fine di cercare di non sprecare neanche un raggio luminoso (un fotone secondo la fisica quantistica) prodotto dalla nostra stella. Il progetto nasce dalla constatazione che l’irraggiamento solare, avviene dando vita ad un infinito spettro di frequenze elettromagnetiche, un vero e proprio arcobaleno di colori, in cui ognuno di essi corrisponde ad un fotone dotato di diversa energia. Tutti, nessuno escluso, possono essere raccolti al fine di produrre elettricità. Una cosa che non avviene, però, con le tecnologie fotovoltaiche attualmente in uso, le quali non sono in grado di sfruttare tutto lo spettro solare.

Nel migliore dei casi i dispositivi attualmente utilizzati sono in grado di raccogliere due terzi dei fotoni disponibili, lasciando così che si disperda il terzo rimanente. Per consentire loro di aumentare il proprio rendimento, occorre rimediare al problema, come hanno fatto appunto i ricercatori del Dipartimento di Scienza dei Materiali dell’Università degli Studi di Milano – Bicocca, guidati da Angelo Monguzzi, professore associato di Fisica Sperimentale della Materia, e da Angiolina Comotti, professore ordinario di Chimica Industriale.

Il team ha infatti dato vita ad un progetto incentrato su particolari nanoparticelle porose multicomponente fluorescenti (ePAF), grazie alle quali diventa possibile un deciso miglioramento nell’efficienza di raccolta della luce da parte delle celle solari. Lo studio si intitola «Engineering Porous Emitting Framework Nanoparticles with Integrated Sensitizers for Low-Power Photon Upconversion by Triplet Fusion» e i risultati conseguiti sono stati oggetto di recente pubblicazione su Advanced Materials.

Come funzionano le ePAF

In pratica le nanoparticelle porose multicomponente fluorescenti (ePAF) sono delegate alla cattura dei fotoni sprecati in modo da poterli convertire in particelle ad alta energia, ovvero in una versione in grado di essere poi facilmente assorbita dai dispositivi esistenti. La trasformazione che avviene, nota come meccanismo di upconversion, è resa possibile dall’interazione tra due molecole: un’antenna, che rende possibile la cattura dell’energia all’interno della nanoparticella porosa, ed un convertitore/emettitore, il quale va a costituire la struttura della particella stessa, che riceve l’energia dall’antenna generando i fotoni ad alta energia.

La particolarità del progetto sta nel fatto che si tratta del primo caso di materiale solido completamente organico multicomponente per l’upconversion di fotoni, il quale può essere integrato nei dispositivi già funzionanti in modo da andarne a migliorare le prestazioni e favorirne un uso su larga scala come fonte di energia rinnovabile. Il nanomateriale in questione mette in evidenza livelli di efficienza paragonabili ai sistemi modello in liquido, i quali sono però poco adatti per essere integrati in dispositivi reali.

Grazie alle ePAF, diventa possibile risolvere un problema di vecchia data, quello derivante dal fatto che non esiste ancora una tecnologia fotovoltaica in grado di catturare tutta l’energia della luce in modo da convertirla in elettricità. Un problema che dipende dal tipo di semiconduttore usato, in particolare dal silicio, materiale che ancora oggi è il più diffuso in assoluto tra quelli presenti in commercio. Questo semimetallo, infatti, è in grado di convertire i fotoni caratterizzati da una lunghezza d’onda compresa tra 300 nm e 1100 nm. Si tratta in pratica di uno strumento non in grado di trattare la maggior parte dello spettro solare, il quale parte dai 250 nm per arrivare oltre i 2500 nm. Ciò vuol dire che la gran parte della luce visibile non può essere sfruttata per i limiti messi in mostra dai semiconduttori. Un difetto che potrebbe essere ovviato dalle nanoparticelle porose multicomponente fluorescenti, aumentando in maniera esponenziale la resa degli impianti solari e aprendo una nuova era per il settore.