PETE. Photon Enhanced Thermionic Emission. Ottenere energia da luce e calore

Rubrica: Impianti fotovoltaici

Titolo o argomento: Photon Enhanced Thermionic Emission

50 milioni di GigaWatt vengono regalati ogni giorno dal sole alla terra

All’Università di Stanford, in California, stanno sviluppando un sistema che permette di generare elettricità utilizzando come propellente sia la luce che il calore del sole. La tecnica si chiama P.E.T.E. ovvero Photon Enhanced Thermionic Emission e l’idea è quella di aumentare il più possibile l’efficienza dei pannelli fotovoltaici riducendo al contempo i costi degli impianti.

Oggi esistono due soluzioni per ottenere energia elettrica dal sole. I pannelli fotovoltaici (che sfruttano i  quanti) producono corrente elettrica sfruttando l’energia dei fotoni per eccitare gli elettroni di un semiconduttore (silicio). I pannelli solari termodinamici (che si basano sulla termodinamica) invece utilizzano le radiazioni solari come sorgente di energia termica, che viene incamerata in speciali fluidi poi utilizzati per alimentare turbine a vapore.

Il sistema P.E.T.E. sfrutta entrambi i processi, tuttavia si manifesta un problema non da poco: i pannelli fotovoltaici e termici lavorano ad intervalli di temperatura troppo diversi e, sopra i 100 gradi centigradi , il silicio perde le sue proprietà di semiconduttore e le celle fotovoltaiche non sono più in grado di produrre energia. A questo problema si è posto rimedio sostituendo il silicio con il nitruro di gallio (anche se si stanno già facendo nuove prove utilizzando l’arseniuro di Gallio che pare offra maggiori certezze sui risultati previsti). Si tratta di un semiconduttore in grado di lavorare in presenza di temperature più elevate. Ad esso è stato aggiunto un secondo strato metallico a base di Cesio che permette di catturare anche il calore che altrimenti verrebbe perso in un normale pannello fotovoltaico. Tale strato produce elettroni attraverso un meccanismo conosciuto come effetto termoionico.

Si è così passati da un estremo all’altro. Gli attuali pannelli fotovoltaici sono in grado di lavorare correttamente solo a temperature inferiori ai 100 gradi centigradi. Il sistema P.E.T.E. mostra una buona efficienza solo al di sopra dei 200 gradi centigradi. Questa condizione sembra buona per un accoppiamento con i concentratori solari parabolici i quali raggiungono temperature di circa 800 gradi  centigradi. Si prevede si possa raggiungere un’efficienza approssimativamente del 60%. Un valore molto elevato sul quale bisogna stare cauti ed attendere tutte le dimostrazioni necessarie.

Le celle fotovoltaiche attuali raggiungono un rendimento del 20% circa. Si possono tuttavia raggiungere rendimenti del 40% con celle dette a “multigiunzione” le quali però hanno costi proibitivi. Il solito problema del cane che si morde la coda. Nelle celle multigiunzione i semiconduttori vengono disposti su diversi strati al fine di catturare una gamma più ampia di lunghezze d’onda dalle radiazioni solari.

Le alte concentrazioni solari rendono possibile la riduzione del costo dei materiali riducendo le dimensioni del pannello inoltre i dispositivi P.E.T.E. sono naturalmente abbinabili con le macchine termiche e potrebbero essere implementati collegandoli alle infrastrutture termico-solari esistenti per ottenere rendimenti sinora mai visti. Guarda il video.

Fonte: Nature Materials Journal