Energia solare: come un design "Solar Tarp" può sfruttare la potenza del sole

Il potenziale di generazione di energia dei pannelli solari e una limitazione fondamentale del loro utilizzo sono il risultato di ciò di cui sono fatti. I pannelli in silicio stanno diminuendo di prezzo in modo tale che in alcune località possono fornire elettricità che costa all'incirca la stessa potenza dei combustibili fossili come il carbone e il gas naturale. Ma i pannelli solari in silicio sono anche ingombranti, rigidi e fragili, quindi non possono essere utilizzati ovunque.

In molte parti del mondo che non dispongono di elettricità regolare, i pannelli solari potrebbero fornire luce di lettura dopo il tramonto ed energia per pompare acqua potabile, aiutare a gestire piccole attività domestiche o di villaggio, o anche servire rifugi di emergenza e accampamenti di rifugiati. Ma la fragilità meccanica, la pesantezza e le difficoltà di trasporto dei pannelli solari in silicio suggeriscono che il silicio potrebbe non essere l'ideale.

Basandomi sul lavoro altrui, il mio gruppo di ricerca sta lavorando per sviluppare pannelli solari flessibili, che sarebbero efficienti quanto un pannello di silicio, ma sarebbero sottili, leggeri e pieghevoli. Questo tipo di dispositivo, che noi chiamiamo "telone solare", potrebbe essere esteso alle dimensioni di una stanza e generare elettricità dal sole, e potrebbe essere appallottolato per avere le dimensioni di un pompelmo e farcito nello zaino come mille volte senza rottura. Mentre c'è stato qualche sforzo per rendere le celle solari organiche più flessibili semplicemente rendendole ultrasottili, la durata reale richiede una struttura molecolare che rende i pannelli solari estensibili e resistenti.

Silicon Semiconductors

Il silicio è derivato dalla sabbia, il che lo rende economico. E il modo in cui i suoi atomi impacchettano in un materiale solido lo rende un buon semiconduttore, il che significa che la sua conduttività può essere accesa e spenta utilizzando campi elettrici o luce. Poiché è economico e utile, il silicio è la base per i microchip e circuiti stampati nei computer, nei telefoni cellulari e praticamente in tutti gli altri dispositivi elettronici, che trasmettono segnali elettrici da un componente all'altro. Il silicio è anche la chiave per la maggior parte dei pannelli solari, perché può convertire l'energia dalla luce in cariche positive e negative. Queste cariche fluiscono ai lati opposti di una cella solare e possono essere utilizzate come una batteria.

Ma le sue proprietà chimiche significano anche che non può essere trasformato in elettronica flessibile. Il silicio non assorbe la luce in modo molto efficiente. I fotoni potrebbero passare attraverso un pannello di silicio troppo sottile, quindi devono essere abbastanza spessi - circa 100 micrometri, circa lo spessore di una banconota da un dollaro - in modo che nessuna luce vada sprecata.

Semiconduttori di prossima generazione

Ma i ricercatori hanno trovato altri semiconduttori che sono molto meglio ad assorbire la luce. Un gruppo di materiali, chiamati "perovskiti", può essere utilizzato per produrre celle solari che sono quasi altrettanto efficienti di quelle in silicio, ma con strati che assorbe la luce che sono un millesimo dello spessore necessario al silicio. Di conseguenza, i ricercatori stanno lavorando alla costruzione di celle solari perovskite che possono alimentare piccoli velivoli senza pilota e altri dispositivi dove la riduzione del peso è un fattore chiave.

Il premio Nobel per la chimica 2000 è stato assegnato ai ricercatori che per primi hanno scoperto di poter realizzare un altro tipo di semiconduttore ultrasottile, chiamato polimero semiconduttore. Questo tipo di materiale è chiamato "semiconduttore organico" perché è basato sul carbonio e viene chiamato "polimero" perché è costituito da lunghe catene di molecole organiche. I semiconduttori organici sono già utilizzati commercialmente, compresa l'industria da miliardi di dollari di display a diodi emettitori di luce organici, meglio noti come televisori OLED.

I semiconduttori polimerici non sono così efficienti nel convertire la luce solare in energia elettrica come perovskite o silicio, ma sono molto più flessibili e potenzialmente straordinariamente durevoli. I normali polimeri, non quelli semiconduttori, si trovano ovunque nella vita quotidiana. Sono le molecole che costituiscono tessuto, plastica e vernice. I semiconduttori polimerici offrono il potenziale per combinare le proprietà elettroniche di materiali come il silicio con le proprietà fisiche della plastica.

Il meglio di entrambi i mondi: efficienza e durata

A seconda della loro struttura, le materie plastiche hanno una vasta gamma di proprietà, inclusa la flessibilità, come con un telo; e rigidità, come i pannelli del corpo di alcune automobili. I polimeri semiconduttori hanno strutture molecolari rigide e molti sono composti da minuscoli cristalli. Questi sono fondamentali per le loro proprietà elettroniche ma tendono a renderli fragili, il che non è un attributo desiderabile per articoli flessibili o rigidi.

Il lavoro del mio gruppo si è concentrato sull'individuazione di modi per creare materiali con buone proprietà semiconduttive e la plastificazione per la durabilità è nota - flessibile o meno. Questa sarà la chiave per la mia idea di un telo solare o di una coperta, ma potrebbe anche portare a materiali di copertura, piastrelle per pavimenti all'aperto o forse anche le superfici di strade o parcheggi.

Questo lavoro sarà fondamentale per sfruttare il potere della luce solare - perché, dopo tutto, la luce del sole che colpisce la Terra in una singola ora contiene più energia di tutta l'umanità in un anno.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation di Darren Lipomi. Leggi l'articolo originale qui.