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Celle fotovoltaiche in GaAs: nuovo record di efficienza per il Fraunhofer

Efficienza di conversione del 68,9% per le celle a film sottile in arseniuro di gallio per applicazioni Power-by-light

Nuovo record per i ricercatori del Fraunhofer ISE sul fronte dell’energia solare. È stata infatti raggiunta un’efficienza di conversione del 68,9% per una cella fotovoltaica in GaAs. Non parliamo dei tradizionali impianti, ma di una particolare tecnologia per le cosiddette applicazioni Power-by-light.

COME FUNZIONANO?

In questa nuova forma di trasferimento, l’energia laser viene fornita attraverso l’aria o tramite una fibra ottica a una cella fotovoltaica le cui proprietà corrispondono alla potenza e alla lunghezza d’onda della luce laser monocromatica. Rispetto alla trasmissione di energia convenzionale (fili di rame), i sistemi di alimentazione tramite luce sono particolarmente utili per applicazioni che richiedono un’alimentazione elettrica isolata galvanicamente, una protezione da fulmini o esplosioni, una compatibilità elettromagnetica o una trasmissione di energia completamente wireless.

IL RUOLO DELL’ARSENIURO DI GALLIO

Ad oggi si tratta della più alta efficienza raggiunta per la conversione della luce in elettricità. Un successo reso possibile da Questo è un risultato impressionante che mostra il potenziale del fotovoltaico per applicazioni industriali oltre la generazione di energia solare

ANDREAS BETT, Direttore dell’istituto di Fraunhofer ISE

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una speciale tecnologia a film sottile in cui gli strati di celle solari vengono prima ricoperti da un substrato di arseniuro di gallio, successivamente rimosso. Uno specchio conduttivo altamente riflettente viene poi applicato alla superficie posteriore della restante struttura a semiconduttore, che è spessa solo pochi micrometri. “Questo approccio a film sottile ha due distinti vantaggi per l’efficienza - spiega Henning Helmers, capo del team di ricerca Fraunhofer ISE. Prima di tutto, i fotoni sono intrappolati nella cella e l’assorbimento è massimizzato per le energie dei fotoni vicine al band gap, il che minimizza contemporaneamente le perdite di termalizzazione e trasmissione, rendendo la cella più efficiente. In secondo luogo, i fotoni ulteriormente generati all’interno dalla ricombinazione radiativa vengono intrappolati ed efficacemente riciclati. In questo modo si aumenta anche la tensione allungando la vita effettiva del portatore di carica”. Il gruppo di ricerca ha studiato celle fotovoltaiche a film sottile con riflettori sulla superficie posteriore in oro e una combinazione otticamente migliorata di ceramica e argento, che ha mostrato i migliori risultati. Come assorbitore è stata sviluppata un’eterostruttura n-GaAs/p-AlGaAs, che mostra perdite di portatori di carica particolarmente basse dovute alla ricombinazione.

APPLICAZIONI CHE VANNO OLTRE LA GENERAZIONE DI ENERGIA

La trasmissione di energia ottica ha molteplici applicazioni. Alcuni esempi sono il monitoraggio strutturale delle turbine eoliche; il monitoraggio di linee ad alta tensione; sensori di carburante nei serbatoi degli aerei o reti ottiche passive; la fornitura ottica di impianti dall’esterno del corpo; o un’alimentazione wireless per applicazioni nell’IoT.

Batterie ricaricabili in cemento, l’innovazione che potrebbe rivoluzionare le costruzioni

Dalla Svezia una miscela in calcestruzzo con fibre di carbonio rivestite da metalli che trasformerebbero gli edifici in gigantesche batterie

Un edificio in cemento che immagazzina energia come una gigantesca batteria. È questo il concept sviluppato da un gruppo di ricerca della Chalmers University of Technology in Svezia. L’innovazione parte da una miscela a base di cemento con piccole quantità di fibre di carbonio, aggiunte per aumentare la conduttività e la resistenza alla flessione. Nella miscela è incorporata una rete in fibra di carbonio rivestita di metallo: ferro per l’anodo e nichel per il catodo. “I risultati di studi precedenti sulla tecnologia delle batterie in calcestruzzo hanno mostrato prestazioni molto basse; quindi ci siamo resi conto che dovevamo pensare fuori dagli schemi per trovare un altro modo per produrre l’elettrodo. Questa particolare idea che abbiamo sviluppato - che è anche ricaricabile - non è mai stata esplorata prima. Ora abbiamo la prova del concetto su scala di laboratorio “, spiega la ricercatrice Emma Zhang. La ricerca ha prodotto una batteria ricaricabile a base di cemento con una densità energetica media di 7 Wh per metro quadrato (o 0,8 Wh per litro). La densità di energia viene utilizzata per esprimere la capacità della batteria e, secondo una prima stima, le prestazioni della nuova batteria Chalmers potrebbero essere più di dieci volte quelle dei precedenti tentativi di batterie di cemento. La densità di energia è ancora bassa rispetto alle batterie commerciali, ma c’è la possibilità di superare questa limitazione grazie all’enorme volume a cui la batteria potrebbe essere costruita quando utilizzata negli edifici. Poiché le infrastrutture in calcestruzzo sono solitamente costruite per durare cinquanta o anche cento anni, le batterie dovrebbero essere raffinate per adattarsi a questo arco temporale. Inoltre, dovrebbero essere più facili da sostituire e riciclare una volta terminata la loro vita utile

EMMA ZHANG, ricercatrice presso la Chalmers University of Technology

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DALLO STOCCAGGIO ENERGETICO AL MONITORAGGIO DELLE INFRASTRUTTURE

Il fatto che la batteria sia ricaricabile è sicuramente la qualità più rilevante ecomporterebbe, inoltre, diverse possibilità applicative: dallo stoccaggio energetico al monitoraggio. I ricercatori immaginano che la batteria potrebbe alimentare l’illuminazione LED, così come contribuire alla connessione 4G in aree remote o alla protezione catodica contro la corrosione nelle infrastrutture in calcestruzzo. “Il sistema, ad esempio, potrebbe anche essere accoppiato con pannelli a celle solari per fornire elettricità e diventare la fonte di energia per i sistemi di monitoraggio in autostrade o ponti, dove i sensori azionati da una batteria di cemento potrebbero rilevare crepe o corrosione”, suggerisce Zhang. L’idea è ancora in una fase iniziale. Infatti, ci sono delle questioni tecniche da risolvere prima che la commercializzazione del prodotto possa realmente avvenire: l’estensione della durata della batteria e lo sviluppo di tecniche di riciclo.