SCOPERTA/ Dal mantello che rende invisibili il segreto per pannelli solari più efficienti

- Sergio Musazzi

Attraverso i metamateriali, spiega SERGIO MUSAZZI, è possibile ridurre la rifrazione dei pannelli solari aumentandone l’efficienza

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Foto Imagoeconomica

Uno dei settori della ricerca su cui oggi maggiormente si investe per migliorare l’efficienza dei pannelli solari fotovoltaici riguarda lo studio dei cosiddetti “concentratori solari”. Si tratta di dispositivi che hanno il compito di massimizzare l’energia solare catturata dalle celle di un pannello fotovoltaico nelle diverse ore della giornata.

 

Come è ovvio, infatti, la frazione di luce solare incidente sulle singole celle dipende dalla posizione occupata dal sole nell’arco della giornata: è massima quando il sole è perpendicolare alla superficie del pannello e diminuisce con l’aumentare dell’angolo di incidenza.

Un concentratore solare molto semplice potrebbe essere realizzato, ad esempio, sfruttando un insieme di lenti che focalizzano la luce del sole sulle singole celle e che inseguono (mediante un dispositivo meccanico) la posizione occupata dal sole durante la sua rotazione diurna. Purtroppo, tale dispositivo sarebbe assai costoso, richiederebbe una continua manutenzione e, di fatto, renderebbe sconveniente l’utilizzo dei pannelli fotovoltaici.

La ricerca sui concentratori solari si è pertanto orientata su dispositivi di tipo statico che possano essere applicati alle singole celle fotovoltaiche o addirittura integrati in esse. È di questi giorni la notizia che un gruppo di ricercatori del Caltech (California Institute of Technology) ha messo a punto un concentratore solare statico particolarmente innovativo basato sull’uso dei cosiddetti “metamateriali”. Ricordiamo, a questo proposito, che i metamateriali sono oggetti che non esistono in natura (sono fabbricati artificialmente) le cui proprietà ottiche non dipendono dal materiale di cui sono composti ma dalla loro struttura interna.

Una loro caratteristica peculiare è quella di possedere un indice di rifrazione negativo. Questo significa che quando un raggio di luce incide sulla loro superficie viene rifratto nella direzione speculare rispetto a quella che osserviamo in un normale materiale trasparente. Questo e altri comportamenti anomali della luce, rendono i metamateriali estremamente interessanti per la possibilità che essi offrono di realizzare applicazioni non possibili con i materiali tradizionali. Fra le ricerche più spettacolari in questo campo ricordiamo ad esempio lo studio del mantello che rende invisibili e la realizzazione di superlenti in grado di risolvere oggetti più piccoli della lunghezza d’onda.

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Il dispositivo realizzato dal gruppo del Caltech è costituito da un sottile strato metallico spesso alcune centinaia di nanometri (un nanometro è un miliardesimo di metro) in cui viene ricavata una serie di cavità circolari all’interno delle quali sono alloggiate colonne filiformi dello stesso materiale. Lo spazio compreso fra ciascuna di queste colonne e le rispettive cavità è riempito da un secondo materiale. Variando le dimensioni e le proporzioni di questa struttura a celle circolari vengono modificate le caratteristiche ottiche del metamateriale rendendo così possibile la rifrazione della luce incidente a differenti angoli (da qui l’idea del concentratore solare).

 

Gli aspetti innovativi di questo dispositivo sono numerosi. Innanzitutto si tratta del primo metamateriale in grado di interagire con la luce nella regione del visibile (tutti gli esempi noti in letteratura riguardano metamateriali che operano nel campo delle microonde o del lontano infrarosso).

 

In secondo luogo, è in linea di principio possibile realizzare questi dispositivi con un indice di rifrazione molto simile a quello dell’aria. Questo aspetto avrebbe il grandissimo vantaggio di evitare le perdite di energia dovute alla riflessione della luce sulla superficie delle celle solari. Non avendo un salto di indice di rifrazione all’interfaccia fra la superficie delle celle e l’aria, la componente riflessa diventerebbe trascurabile rendendo così massima la trasmissione della luce attraverso il dispositivo.

 

Da ultimo, poiché il metamateriale così realizzato è un film metallico, potrebbe essere utilizzato direttamente come elettrodo superiore di una cella solare. Inoltre, trattandosi di un unico sottile strato di materiale, può essere depositato sulle celle con tecniche, come litografia ed etching, normalmente utilizzate nell’industria dei chip elettronici.

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