Fotovoltaico: arrivano le nanoantenne che catturano anche gli infrarossi

Gli scienziati studiano ormai da diversi anni le potenzialità di una nuova tecnologia di sfruttamento dell’energia solare, basata sulla fabbricazione di fotodiodi di dimensioni nanometriche. Questi dispositivi, denominati nano-antenne, sarebbero infatti in grado di catturare la luce in tutte le lunghezze d'onda per trasformarla in energia elettrica.

Come è noto, la luce alle lunghezze d'onda dell'infrarosso costituisce più di un terzo di quella che raggiunge la Terra dal Sole, ma i comuni dispositivi fotovoltaici a base di silicio non sono in grado di catturarla. La causa di questo limite è dovuta a un gap di banda presente in ogni semiconduttore, a causa del quale la luce sotto una certa frequenza attraversa il materiale senza generare corrente. Per ovviare a questo inconveniente, da qualche anno i ricercatori stanno cercando di realizzare un dispositivo fotovoltaico dotato di una nano-antenna metallica in grado di svolgere un duplice ruolo: funzionare innanzi tutto come antenna ottica per raccogliere e concentrare la luce solare, e in più svolgere la funzione di fotodiodo, in grado di convertire la luce in una corrente di elettroni. Questo genere di nano-antenna viene anche definito “rectenna” (contrazione di rectifying antenna) a causa della sua capacità di assorbire l’energia solare e rettificarla da corrente alternata in corrente continua.

Un dispositivo fotovoltaico dotato di un array di rectenne è teoricamente in grado di catturare più del 70% della radiazione elettromagnetica proveniente dal sole, e di convertirla efficacemente in energia elettrica. Questa tecnologia potrebbe quindi rappresentare un significativo miglioramento rispetto ai pannelli fotovoltaici tradizionali in silicio, i quali possono catturare al massimo il 20% della radiazione solare disponibile, e necessitano di un dispositivo a parte per convertire l’energia raccolta in una forma fruibile dalla rete elettrica. Per tutti questi motivi, da diversi anni la comunità scientifica internazionale sta cercando di tradurre in pratica le grandi potenzialità delle rectenne, finora espresse solo dal punto di vista teorico.

Recentemente, il gruppo di studio guidato dal Prof. Willis, professore associato all’UConn – University of Connecticut – ha presentato i risultati di una innovativa tecnica di fabbricazione delle nano-antenne, denominata Selective Area Atomic Layer Deposition (ALD), brevettata nel 2011. Attraverso la ALD gli scienziati della UConn hanno potuto realizzate un dispositivo a rectenna, costituito in pratica da un diodo a tunnel di dimensioni nanometriche. Uno degli elettrodi della rectenna ha una forma appuntita, simile alla punta di un triangolo; il segreto che garantisce il buon funzionamento del dispositivo è la distanza estremamente ravvicinata tra i due elettrodi, paragonabile al contatto di una punta di spillo su una parete. La limitata grandezza di questo intervallo dimensionale è il fattore critico per garantire il massimo trasporto di elettricità: in pratica, la distanza nanometrica tra i due elettrodi fa sì che gli elettroni riescano ad incanalarsi verso l’elettrodo opposto, senza possibilità di invertire la direzione. Ciò fa sì che la rectenna sia in grado di catturare l’energia degli elettroni rettificandola in una corrente unidirezionale. Inoltre, il dispositivo è in grado di convertire anche la componente infrarossa della radiazione solare, e in generale tutto lo spettro del visibile. Prima dell’avvento della ALD, non esistevano tecniche di fabbricazione litografica in grado di creare uno spazio così ridotto all’interno di un diodo elettrico effettivamente funzionante. Il processo ALD è considerato potenzialmente rivoluzionario sia dalla comunità scientifica che dal mondo dell’industria, in quanto si tratta di una tecnologia semplice, facilmente riproducibile e scalabile per la produzione di massa. Secondo il prof. Willis, la tecnologia, già utilizzata da aziende che operano nel campo della microelettronica, è particolarmente applicabile per la realizzazione di coating su superfici nanostrutturate, e svolgerà un ruolo essenziale nella realizzazione della prossima generazione di semi-conduttori e transistor ad alte prestazioni.

A conferma del grande interesse suscitato da questo filone di ricerca, il progetto del prof. Willis ha ricevuto recentemente fondi per $650.000 dalla National Science Foundation , finalizzati a migliorare il processo di fabbricazione delle rectenne in modo da renderle ancora più capaci di catturare e convertire in energia elettrica ogni componente della radiazione solare.

Fonte: Nanowerk