Una scoperta che potrebbe rivoluzionare l’energia solare
Ricercatori della Korea University hanno messo a punto minuscole strutture auto-organizzanti in oro capaci di catturare quasi l’intero spettro utile della radiazione solare. Se questa tecnologia supererà i test in condizioni reali, potrebbe trasformare radicalmente il mercato delle energie rinnovabili.
Il sole invia sulla Terra ogni secondo una quantità colossale di energia, molto superiore a tutto ciò che l’umanità consuma nello stesso arco di tempo. Eppure i pannelli fotovoltaici tradizionali riescono a sfruttarne solo una piccola parte.
I migliori pannelli commerciali in silicio monocristallino oggi disponibili raggiungono un’efficienza di circa il 20–22 percento. In altre parole, di tutta l’energia che un modulo sul tetto di casa riceve, solo un quinto si trasforma effettivamente in elettricità. Il resto va perduto sotto forma di luce riflessa o calore inutile.
Il limite fisico che blocca il fotovoltaico tradizionale
Non si tratta di un difetto di fabbricazione: è un confine fisico noto come limite di Shockley-Queisser. Il silicio riesce a elaborare in modo efficiente solo una porzione ristretta dello spettro solare. Le lunghezze d’onda al di fuori di quella finestra attraversano il materiale, si riflettono o riscaldano la cella anziché liberare elettroni aggiuntivi. Da anni i ricercatori cercano un modo per abbattere questa barriera e ottenere molta più elettricità da ogni metro quadrato di pannello.
Come le nanoparticelle d’oro si comportano in modo diverso dal metallo comune
Fin dall’inizio del XXI secolo gli scienziati sperimentano con l’oro su scala nanometrica, perché a queste dimensioni si comporta in modo completamente diverso rispetto a un lingotto classico. Il fenomeno chiave è la cosiddetta risonanza plasmonica di superficie localizzata, nota con l’acronimo LSPR.
Quando la luce colpisce una nanoparticella d’oro, la nube elettronica sulla sua superficie comincia a vibrare a una frequenza tale che la particella non si limita a riflettere la radiazione, ma la assorbe con grande efficienza. Funziona un po’ come una minuscola antenna sintonizzata su una specifica lunghezza d’onda.
C’è però un problema: ogni singola nanoparticella risponde principalmente a un intervallo ristretto di colori, determinato dalle sue dimensioni. Una cattura meglio la radiazione infrarossa vicina, un’altra privilegia la luce verde o rossa. Da sola, dunque, una particella è un eccellente assorbitore ma solo per una piccola fetta dello spettro solare. Ecco perché i ricercatori coreani hanno cercato un modo per costruire strutture in grado di captare l’intero spettro utile in una volta sola.
Le supraballs: decine di nanoparticelle di dimensioni diverse unite in un’unica sfera
Il team della Korea University ha deciso di trasformare questo limite in un vantaggio. Invece di lavorare con singole nanoparticelle di misura uniforme, i ricercatori hanno combinato molte particelle di dimensioni diverse in un’unica sfera più grande. Queste strutture sono state chiamate supraballs.
L’idea è elegante nella sua semplicità: ogni nanoparticella all’interno della sfera ha dimensioni diverse, quindi si sintonizza su una diversa lunghezza d’onda. L’intera sfera riesce così ad assorbire luce da un ampio intervallo spettrale, dalle onde più corte fino al vicino infrarosso. In più, queste strutture si formano spontaneamente. In condizioni chimiche opportune, le nanoparticelle d’oro si auto-organizzano in sfere senza bisogno di complesse attrezzature di assemblaggio o processi litografici.
Il processo si articola così:
- si prepara una soluzione contenente nanoparticelle d’oro di varie dimensioni
- si controllano parametri come concentrazione e temperatura per favorire l’auto-organizzazione
- le particelle si aggregano in sfere stabili multi-componente, ovvero le supraballs
- la sospensione risultante può essere applicata come una vernice sulla superficie dei dispositivi
- l’elevata densità di particelle di dimensioni diverse in ogni sfera garantisce la copertura di un ampio spettro
- la stabilità delle strutture consente applicazioni ripetute senza perdita di funzionalità
Prima dei test sperimentali, i ricercatori hanno eseguito simulazioni numeriche avanzate per determinare il diametro ottimale delle sfere, come distribuire le dimensioni delle nanoparticelle componenti e quanto densamente compattarle per massimizzare l’assorbimento. I modelli computazionali indicavano che supraballs ben progettate possono assorbire oltre il 90 percento dell’energia nell’intervallo utile dello spettro solare — un livello che le strutture a singola nanoparticella non possono nemmeno avvicinarsi.
In laboratorio le sfere d’oro hanno catturato quasi il doppio dell’energia
Dopo la fase di simulazione è arrivato il momento dell’esperimento reale. I ricercatori non hanno iniziato direttamente da un pannello fotovoltaico, bensì da un generatore termoelettrico commerciale — un dispositivo che converte una differenza di temperatura in energia elettrica.
Sulla superficie del generatore è stato applicato un liquido contenente le supraballs. Una volta asciugato, si è formato un sottile strato dorato. L’intero dispositivo è stato poi illuminato in condizioni controllate con uno speciale simulatore LED che riproduce lo spettro solare.
Con questo rivestimento, il dispositivo assorbiva circa l’89 percento della radiazione incidente. Lo stesso generatore ricoperto da un film tradizionale di nanoparticelle d’oro ne catturava solo il 45 percento circa. La differenza è spettacolare, almeno in laboratorio: si parla di un assorbimento quasi doppio, ottenuto semplicemente modificando la struttura degli stessi materiali, senza ricorrere a elementi esotici o rari.
Per fare un confronto, i pannelli tradizionali in silicio monocristallino dei principali produttori raggiungono un’efficienza intorno al 22 percento. Se le nanofere d’oro riuscissero a replicare un salto simile nell’assorbimento anche in condizioni reali sui tetti degli edifici, potrebbe trattarsi di una vera rivoluzione energetica. I ricercatori, però, restano prudenti e sottolineano la lunga strada che separa un prototipo di laboratorio dalla produzione su larga scala.
Perché le sfere d’oro potrebbero non essere così costose come sembrano
A prima vista, l’idea di potenziare i pannelli con un metallo prezioso può sembrare una provocazione. Ma alla scala nanometrica le cose stanno diversamente. L’oro possiede proprietà chimiche eccezionalmente stabili: non si ossida come l’argento e mantiene un effetto plasmonico molto pronunciato.
La cosa fondamentale è che la quantità di metallo impiegata è trascurabile. Si tratta di strati ultrasottili invisibili a occhio nudo. I costi del materiale potrebbero essere accettabili nella pratica, soprattutto se i pannelli riescono a produrre significativamente più energia dalla stessa superficie di tetto o campo solare.
Qualora la tecnologia maturasse, potrebbe in teoria combinarsi non solo con il silicio classico, ma anche con le nuove generazioni di celle — come le strutture tandem silicio-perovskite, che già oggi promettono di superare il 30 percento di efficienza. Ricercatori di vari laboratori internazionali stanno lavorando su combinazioni simili, convinti che il futuro del fotovoltaico risieda proprio nelle strutture ibride.
I ricercatori stanno anche esplorando se al posto dell’oro si possano impiegare metalli meno costosi con proprietà plasmoniche analoghe, come l’alluminio o il rame. Per ora, tuttavia, nessuno di essi offre la stessa stabilità ed efficienza dell’oro in forma nanometrica.
Quali ostacoli attendono le sfere d’oro sulla strada verso i tetti
Sembra una ricetta per rivoluzionare il fotovoltaico, ma gli stessi autori dello studio invitano alla cautela. Non promettono che la tecnologia porterà rapidamente l’efficienza dei pannelli dal 20 al 40 percento, né che i moduli con supraballs saranno presto disponibili nei negozi.
Il passaggio da una pubblicazione scientifica a un prodotto installabile su un tetto può richiedere anni, se non decenni. Molte tecnologie non escono mai dal laboratorio perché si rivelano troppo costose, troppo complesse da produrre, o semplicemente perdono il confronto con la concorrenza. Il mercato fotovoltaico è maturo e dominato da grandi produttori globali. Ogni nuova soluzione deve non solo funzionare meglio, ma anche adattarsi alle linee produttive esistenti, essere economica, resistente a pioggia, gelo e calore estremo, e sicura per l’ambiente.
Le domande più importanti per i prossimi anni sono:
- se le supraballs possano essere prodotte su larga scala, in modo riproducibile, senza aumentare drasticamente i costi dei moduli
- come tale rivestimento reggerà all’umidità, allo smog, ai graffi e all’esposizione prolungata ai raggi UV
- se l’uso dell’oro, anche in quantità nanometriche, rappresenti un collo di bottiglia economico per i grandi impianti solari
- in che modo integrare queste strutture con il silicio tradizionale o con le nuove celle a perovskite
- se i produttori del settore mostreranno interesse a licenziare la tecnologia
- quanto velocemente i ricercatori riusciranno a passare dalla scala di laboratorio a una produzione pilota
Per l’utente finale contano soprattutto due cose: quanta elettricità si può produrre dalla superficie disponibile e quanto costa ogni watt aggiuntivo di potenza. Se grazie alle nanofere d’oro i pannelli sullo stesso tetto generano significativamente più energia, l’investimento nel fotovoltaico diventa più conveniente senza dover aggiungere ulteriori metri quadrati di moduli.
Le nanofere d’oro potrebbero trovare impiego anche oltre i tetti
Dal punto di vista delle reti elettriche, una maggiore efficienza a parità di superficie significa anche un migliore utilizzo dei terreni per gli impianti solari e una minore pressione sull’occupazione di nuovi spazi. Ogni punto percentuale di efficienza in più si traduce in megawatt concreti prodotti dallo stesso appezzamento di terreno.
Vale la pena ricordare che tecnologie di questo tipo trovano spesso applicazioni secondarie e inaspettate. I rivestimenti ad altissima assorbanza si prestano a sensori di precisione, piccoli generatori per alimentare dispositivi Internet of Things o dispositivi indossabili che raccolgono energia dalla luce diurna durante tutto il giorno. Ricercatori di diversi istituti internazionali stanno già testando applicazioni simili, dai dispositivi medici impiantabili alle stazioni meteorologiche autonome.
Per chi segue con attenzione l’evoluzione dell’energia verde, l’esempio delle nanofere d’oro dalla Corea ricorda che il potenziale del fotovoltaico non si esaurisce con la sostituzione di un inverter o con una nuova serie di moduli. Una parte enorme della partita si gioca ancora sul terreno della fisica pura e dei materiali — ed è proprio nei laboratori che si decidono oggi le tecnologie che arriveranno sui nostri tetti tra dieci o vent’anni.
