By Luminescent Solar Concentrator
Il Luminescent Solar Concentrator (LSC) è una tecnologia innovativa per la produzione di energia rinnovabile dalla luce solare che negli ultimi anni ha visto un forte ampliamento dei suoi orizzonti applicativi; le ricerche hanno infatti mostrato l’efficacia del suo utilizzo nei più diversi campi, tra cui quello dei reattori chimici, dell’orticoltura, della medicina e perfino quello della comunicazione ottica. In questo articolo si parlerà unicamente delle applicazioni nel campo dei pannelli fotovoltaici (articoli sulle altre applicazioni saranno pubblicati in futuro). L’LSC ha delle proprietà in grado di manipolare lo spettro della luce, di distribuire e concentrare la radiazione luminosa; il Luminescent Solar Concentrator si presenta come un materiale formato da strati trasparenti polimerici, alla cui estremità sono collegati dei pannelli fotovoltaici.
Funzionamento di un pannello fotovoltaico
Prima di vedere il funzionamento del Luminescent Solar Concentrator, è utile ai fini della trattazione ricordare il funzionamento di un pannello fotovoltaico ed elencarne le principali problematiche. In questo paragrafo si proporrà una spiegazione semplificata e riassuntiva della tecnologia complicata che sta dietro alle celle fotovoltaiche; ci si soffermerà esclusivamente sugli aspetti utili ai fini della comprensione del funzionamento dell’LSC.
Qualora il lettore volesse approfondire nello specifico il funzionamento di una cella fotovoltaica, può reperire tali informazioni presso questo articolo.
Struttura fisica
Un pannello fotovoltaico è formato da due strati di materiale metallico (tipicamente silicio) che hanno subìto processi di drogaggio chimico differenti; questo trattamento fa sì che tra i due strati, denominati n e p, vi sia una differenza di potenziale elettrico. A causa di quest’ultima, eventuali elettroni liberi (non vincolati all’interno degli orbitali) presenti nel metallo, saranno soggetti ad una forza (proporzionale al potenziale elettrostatico stesso) che li farà muovere nella direzione desiderata; ovverosia all’interno di un circuito elettrico posto in collegamento con la cella metallica.
Attivazione
Come è possibile creare degli elettroni liberi all’interno di un metallo complessivamente neutro? Qui entra in gioco l’effetto fotoelettrico!
Ovvero quel fenomeno per cui colpendo con un quanto di luce (fotone) un elettrone che si trova in un livello energetico esterno, esso guadagnerà l’energia cinetica necessaria a liberarsi dalla forza che lo tiene bloccato nell’atomo (quella dei protoni all’interno del nucleo). A Causa di questo fenomeno avviene la creazione di una coppia elettrone-lacuna nello strato di silicio colpito dal fotone. Lo scompenso di carica che si crea dopo la liberazione degli elettroni nello strato n sarà compensato, poiché ogni corpo tende ad assumere carica complessiva neutra, da un flusso di elettroni. Il flusso di elettroni che dal silicio p si dirigono al silicio n crea perciò una corrente continua che confluirà nel circuito e sarà dunque utilizzabile. In estrema sintesi, finché si avrà sufficiente energia solare da causare un effetto fotoelettrico sulle celle di silicio n, si avrà un generatore rinnovabile al 100% di corrente elettrica continua.
Attuali problematiche dei pannelli moderni
Una volta compreso il funzionamento del sistema, è importante individuare quali siano i suoi limiti per le sue applicazioni odierne.
Le problematiche sono divise per punti in ordine crescente di importanza:
- Dissipazione di potenza dovuta all’effetto Joule, ovverosia la dissipazione di una parte dell’energia elettrica (sotto forma di calore) dovuta alla resistenza elettrica di un materiale conduttore.
- Statisticamente è possibile che la coppia elettrone-lacuna, formatasi nel materiale, si ricomponga prima che l’elettrone (spinto dal potenziale elettrico dovuto ai due strati di silicio n e p) riesca ad entrare nel circuito elettrico; di conseguenza non si avrà generazione di corrente.
- Non sempre l’angolo d’incidenza del fascio luminoso è ottimale per la creazione di elettricità. Si possono venire a creare fenomeni di riflessione per i quali il sistema non potrà sfruttare l’energia della luce.
- Per generare corrente è necessario fornire uno specifico quanto di energia (Energia di attivazione; per approfondire si consulti questo articolo), per far sì che l’elettrone venga “estratto” per effetto fotoelettrico. Ciò significa che soltanto una piccola parte della luce incidente sulla cella sarà utile a produrre energia elettrica; la restante parte inutilizzata creerà calore e impatterà negativamente sull’efficienza del sistema.
- I pannelli non funzionano in condizione di luce diffusa (tempo nuvoloso); inoltre la loro efficienza non è costante durante tutta la giornata poiché dipende dalla posizione del sole.
l’LSC è in grado di superare le ultime tre problematiche elencate; nei successivi paragrafi si vedrà nello specifico come vengono risolte.
Funzionamento dell’LSC
Un concentratore solare luminescente è formato da uno strato di materiale polimerico con all’interno strati di particelle di materiale fluorescente e materiale trasparente alternati. La luce dei raggi solari incidente sull’LSC viene in primo luogo rifratta dalla superficie polimerica esterna ed è quindi assorbita dalle particelle all’interno; queste ultime la riemetteranno ad una frequenza diversa da quella della luce assorbita tramite luminescenza (in particolare tramite fluorescenza). Infine, l’energia riemessa dalle particelle viene indirizzata fino alla cella del pannello fotovoltaico tramite una guida d’onda: dispositivo atto a guidare la luce lungo una certa direzione senza perdite di energia; per ottenere ciò si utilizza il fenomeno della riflessione totale. In questo modo è possibile raccogliere una grande quantità di energia solare su una vasta superficie, ed indirizzarla efficientemente a zone relativamente piccole.
Punti di forza e problematiche dell’LSC
Punti di forza
Il primo aspetto da far notare è che grazie alla geometria stessa del sistema, il Luminescent Solar Concentrator risolve il problema della necessità di luce diretta del classico pannello fotovoltaico; infatti, poiché la luce viene portata al pannello direttamente tramite guida d’onda, si avrà generazione costante di corrente anche in condizione di tempo nuvoloso e inclinazione non ottimale dei raggi solari. L’altro fondamentale problema risolto è quello del sovra-riscaldamento del pannello: poiché si ha il completo controllo delle frequenze di luce da far arrivare alla cella silicea, si sceglieranno quelle frequenze con energia adatta a creare l’effetto fotoelettrico e mettere quindi “in moto” il sistema. In questo modo si evita completamente che venga colpito da energia inutilizzabile, che creerebbe dell’indesiderato calore. Si stima che l’utilizzo della tecnologia LSC possa aumentare notevolmente le prestazioni di un semplice pannello fotovoltaico.
Svantaggi
D’altro canto, il problema più grande del Luminescent Solar Concentrator è senza dubbio rappresentato dal fenomeno della “Surface Loss”, ovvero della perdita di energia sulla superficie. Si stima infatti che tra il 40-55% dell’energia assorbita all’interno dell’LSC venga perso a causa di fenomeni legati alla riflessione (sulla guida d’onda) della radiazione luminescente. Nei successivi capitoli si vedranno i metodi attualmente utilizzati per far fronte a queste problematiche. Gli aspetti più importanti da considerare sono indubbiamente la corretta scelta della guida d’onda e del materiale fluorescente.
Scelta della guida d’onda
Allineamento dei cristalli
Il primo importante aspetto da considerare è l’allineamento delle particelle luminescenti rispetto alla guida stessa. Le particelle possono essere avvolte da una coperta polimerica, che può essere accorciata o allungata per imporre una certa angolazione, oppure esse possono essere immesse all’interno di cristalli liquidi che sono già spontaneamente allineati. Ci sono diverse configurazioni possibili per il sistema; ognuna di queste porta con sé i suoi vantaggi ed i suoi difetti. Nella configurazione a 90° il fenomeno della Surface Loss si riduce del 10% ed inoltre oltre l’80% dei fotoni emessi per luminescenza è efficacemente intrappolato all’interno della guida (contro il 65% del caso senza allineamento). Tuttavia, in questa configurazione si ha un minore assorbimento di luce poiché il loro dipolo di transizione è parallelo alla direzione della luce incidente. Per far fronte ai difetti e migliorare le qualità, vengono studiate ogni giorno nuove possibili configurazioni come, ad esempio, quella a 45°.
Specchi selettivi
Un altro metodo per superare la Surface Loss è l’utilizzo di specchi detti “selettivi”, ovvero guide d’onda che permettono alla luce esterna di entrare all’interno ma allo stesso tempo impediscono alla luce emessa dalle particelle di uscire. Utilizzando questo metodo di selezione si ha un notevole miglioramento dell’efficienza.
Scelta del materiale luminescente
Caratteristiche
La scelta del materiale è indubbiamente l’aspetto più importante da considerare per assicurare il corretto funzionamento del concentratore solare. Quali sono quindi le caratteristiche ideali per la scelta delle particelle luminose?
Esse devono essere in grado di assorbire lo spettro di radiazione solare più ampio possibile, in modo da accumulare un grande quantitativo di energia; l’ideale sarebbe se fossero in grado di assorbire radiazione ultravioletta (altamente energetica). Inoltre, la frequenza delle radiazioni emesse dalle particelle dovrà essere il più differente possibile da quella assorbita; in altri termini lo “Stokes Shift” (la differenza tra lo spettro di emissione e di assorbimento) dovrà essere molto allargato. Il rischio nello scegliere un materiale che ha un gap ridotto tra i due spettri è il fenomeno di” Re-Absorption” (Riassorbimento): la luce emessa da una particella luminescente se durante il suo cammino incontrerà un’altra particella in grado di assorbire la stessa frequenza di radiazione emessa, potrà rappresentare una perdita energetica nel caso in cui la nuova particella colpita dia vita a fenomeni radioattivi differenti da quella iniziale.
Materiali attualmente utilizzati
L’ultimo aspetto da considerare è che la frequenza d’onda che colpirà lo strato di silicio nel pannello fotovoltaico non è, come nel caso tradizionale, quella della luce solare, bensì quella emessa per fluorescenza dalle particelle del materiale scelto; più è ristretto lo spettro di emissione del materiale, più sarà facile progettare un pannello la cui energia di attivazione degli elettroni esterni coincida perfettamente con l’energia dei fotoni di luce emessi dalle particelle all’interno dell’LSC. Attualmente i materiali utilizzati sono nanoparticelle (quantum dots QDs) di calcogenuri di metalli di transizione (CdSe/CdS,CdSe,ZnS) che hanno Stokes shift che assorbono l’ultravioletto ed emettono luce infrarossa. Recentemente si è testato l’utilizzo di particelle in carbonio(Carbon-dots) con ottime prospettive.
Applicazioni
Importante notare come con l’utilizzo di questi materiali l’LSC si presenti trasparente all’occhio umano poiché non emette radiazione nel visibile; questa caratteristica fondamentale ha permesso di pensare come applicazione primaria di questo tipo di tecnologia un’integrazione nel tessuto urbano tramite vetrate o finestre negli edifici moderni.
Fonti:
- “Dispense Ottica guidata e applicazioni di ottica” Prof.sa Margherita Zavelani Rossi
- onlinelibrary
- onlinelibrary.wiley
- engineershub
