Celle termofotovoltaiche ad alta efficienza, nuova svolta per il settore
Rappresentano ancora una nicchia del mercato solare, ma la loro attrattività sembra destinata ad aumentare progressivamente sulla scia dei nuovi progressi tecnici. Parliamo delle celle termofotovoltaiche, tecnologia che genera elettricità convertendo la radiazione infrarossa emessa da una sorgente termica calda. Gli ultimi passi avanti compiuti nel settore arrivano da una ricerca dei Dipartimenti di Ingegneria Chimica e di Fisica dell’Università del Michigan (USA). Qui un gruppo di scienziati ha messo a punto una cella termofotovoltaica con un’efficienza record del 44%. Un risultato ragguardevole che supporterebbe un utilizzo futuro di queste celle con una gamma di sistemi a semiconduttori adatti alla generazione elettrica da fonti termiche, sia in applicazioni di consumo che industriali. Batterie termiche comprese.
Celle termofotovoltaiche, cosa sono e come funzionano?
Le celle termofotovoltaiche (TPV) sono celle che convertono prevalentemente la luce a lunghezza d’onda infrarossa in elettricità tramite l’effetto fotovoltaico, consentendo approcci allo stoccaggio e alla conversione energetica tramite l’impiego di fonti di calore a temperatura elevata. Si tratta di dispositivi fv a giunzione singola o tandem comprendenti materiali III–V con band gap tra 1,0 e 1,4 eV, ottimizzati per temperature dell’emettitore di 1.900–2.400 °C. Nei sistemi heat-to-power le celle TPV sono generalmente poste tra un emettitore (un blocco di metallo o simile) e un sistema di raffreddamento. La fonte di calore si trova invece davanti l’emettitore.
La particolarità di queste celle – oltre ovviamente alla sintonizzazione sulla radiazione infrarossa – consiste nell’impiegare riflettori sulla superficie posteriore per respingere all’emettitore i fotoni sotto la banda proibita inutilizzabili. La luce riflessa e successivamente riassorbita aiuta a mantenere caldo l’emettitore, minimizzando così l’energia necessaria per riscaldarlo. Ecco perché calcolare l’efficienza di una cella TPV richiede un’equazione differente da quella per il calcolo dell’efficienza fotovoltaica, coinvolgendo la potenza elettrica generata dalla cella, la potenza incidente sulla cella, quella riflessa dalla cella e quella netta assorbita dalla stessa.
La cella TPV del Michigan
Tra le varie tipologie termofotovoltaiche, quelle a ponte aereo hanno dimostrato sino a ieri una maggiore efficienza di conversione della potenza recuperando una grande quantità di potenza trasportata dai fotoni sotto la banda proibita. Il lavoro dell’Università del Michigan è partito da qui. Il team ha realizzato una cella termofotovoltaica a ponte aereo in InGaAs(P) a giunzione singola che riflette il 97%-99% dei fotoni fuori band gap. I test effettuati hanno mostrato che il nuovo dispositivo ha un’efficienza di conversione del 44% a 1.435°C, ossia entro l’intervallo target per l’attuale accumulo di energia ad alta temperatura (1.200°C-1.600°C).
“Non siamo ancora al limite dell’efficienza di questa tecnologia”, ha affermato Stephen Forrest, professore universitario, che ha collaborato allo studio. “Sono fiducioso che supereremo il 44% e spingeremo il 50% in un futuro non troppo lontano”. I risultati della ricerca possono essere consultati qui (testo in inglese).
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