di Paolo Travisi
Le antenne pancromatiche raccolgono la luce visibile e le componenti infrarosse e ultraviolette
Tra i molti studi scientifici internazionali per sviluppare nuovi metodi o dispositivi per l’assorbimento dell‘energia solare e la conversione in energia fotovoltaica, sono in aumento quelli rivolti ad approfondire le conoscenze sulle antenne pancromatiche. Cosa sono? Si tratta di particolari antenne per la cattura di energia da un’ampia gamma di lunghezze d’onda, coprendo quasi tutto lo spettro solare, inclusa la luce visibile e le sue componenti infrarosse e ultraviolette.
“A differenza delle tradizionali celle fotovoltaiche che utilizzano materiali semiconduttori per convertire la luce in elettricità, queste antenne sfruttano principi differenti per raccogliere una gamma più ampia dello spettro elettromagnetico e trasformare la luce in un’altra forma utile di energia, tipicamente energia chimica”, spiega a Rinnovabili, Simona De Iuliis, Responsabile della Sezione Supporto Tecnico Strategico del Dipartimento Tecnologie Energetiche e Fonti Rinnovabili dell’ENEA. Questo risultato si può ottenere attraverso la combinazione di diversi materiali con sensibilità diverse alle varie lunghezze d’onda e “se utilizzati in combinazione con materiali sensibili alla luce, come i coloranti o le molecole organiche, possono estendere la gamma di assorbimento delle celle solari”.
Antenne ispirate alle piante per catturare l’energia solare
Un gruppo di ricerca tedesco dell’Università di Würzburg in Baviera si è ispirato ad un modello naturale: le antenne delle piante che raccolgono la luce e ne catturano un ampio spettro per la fotosintesi, ma sono molto complessi nella struttura e richiedono molti coloranti diversi per trasmettere l’energia della luce assorbita; i ricercatori della Würzburg si sono concentrati sullo sviluppo di un’innovativa antenna pancromatica, chiamata URPB – dove le quattro lettere stanno per le lunghezze d’onda della luce assorbite dai quattro componenti coloranti dell’antenna, ultravioletto, rosso, viola e blu – che utilizza come materiali assorbitori, delle strutture complesse formate dall’aggregazione di merocianine, coloranti organici caratterizzati da una distribuzione elettronica asimmetrica, che contribuisce alle loro proprietà ottiche uniche.
L’innovazione tedesca? Valori di fluorescenza del 38%
“L’innovazione dei ricercatori tedeschi consiste nell’utilizzo di un impilamento di materiali organici opportunamente assemblati ed organizzati nello spazio, in modo da ottenere valori di fluorescenza del 38% circa per un determinato intervallo dello spettro solare, che ricade nel visibile”, considera Simona De Iuliis di ENEA. La misura della fluorescenza è una tecnica analitica utilizzata per quantificare la capacità di una sostanza di emettere luce dopo essere stata eccitata da una fonte di luce esterna.
Questo processo comporta l’assorbimento di fotoni ad una certa lunghezza d’onda e la successiva emissione di luce a una lunghezza d’onda più lunga. Ebbene i ricercatori hanno dimostrato che il loro nuovo sistema di raccolta con la giusta combinazione e l’abile disposizione spaziale delle molecole di colorante nella pila permette di ottenere valori di fluorescenza del 38% nel visibile, mentre i quattro coloranti da soli gestiscono meno dell’1% a un massimo del 3%.
“Il nostro sistema ha una struttura di banda simile a quella dei semiconduttori inorganici. Ciò significa che assorbe la luce in modo pancromatico attraverso l’intera gamma visibile. E usa gli alti coefficienti di assorbimento dei coloranti organici. Di conseguenza, può assorbire una grande quantità di energia luminosa in uno strato relativamente sottile, simile ai sistemi naturali di raccolta della luce”, afferma il professore di chimica dell’università tedesca Frank Würthner.
Quel che la ricerca dovrà dimostrare è la validità di tale soluzione tecnologica, che potrebbe essere utilizzata per un miglior utilizzo della luce pancromatica in applicazioni diverse dalla fluorescenza, come il fotovoltaico o la fotocatalisi.
Ed a proposito di fotovoltaico, va sottolineato che anche le celle solari commerciali, che utilizzano il silicio cristallino come semiconduttore, hanno alcune caratteristiche condivise con le antenne pancromatiche, perché sono ottimizzate per convertire una parte ampia e rilevante dello spettro solare, tra i 300 e i 1200 nanometri. Anche se i semiconduttori inorganici come il silicio assorbono la luce su una vasta gamma di lunghezze d’onda, la loro efficienza di assorbimento non è uniforme su tutto lo spettro, e ciò richiede l’uso di strati più spessi.
Questo rende le celle solari al silicio relativamente più ingombranti e pesanti in confronto a quelle realizzate con materiali a film sottile. “La cella fotovoltaica permette di convertire l’energia solare in energia elettrica, mentre le antenne pancromatiche permettono di aumentare la quantità di energia solare catturata, invece per convertirla in energia elettrica abbiamo bisogno di un dispositivo di conversione accoppiato”, conclude la specialista di ENEA.
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