Il DiaTHEMA Lab dell’Istituto di struttura della materia del Consiglio nazionale delle ricerche di Roma Montelibretti (Cnr-Ism), in collaborazione con l’Università degli Studi di Roma Tor Vergata, ha progettato e testato le prime celle solari ad alta temperatura basate sulla tecnologia Black Diamond, nella quale il diamante assume un ruolo centrale nella conversione energetica.
I risultati dello studio sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Joule journal e segnano un possibile punto di svolta nello sviluppo di dispositivi capaci di operare in condizioni termiche estreme, tipiche dei sistemi a concentrazione.
La tecnologia Black Diamond si fonda su un’accurata ingegnerizzazione dei difetti del diamante sintetico prodotto industrialmente. Questo approccio consente di realizzare dispositivi in grado di lavorare in un intervallo di temperatura compreso tra 325 °C e 625 °C, mostrando una risposta sinergica a luce e calore.
In questo range termico i convertitori operano in regime Photon-Enhanced Thermionic Emission (Pete), un meccanismo che permette una generazione efficiente di energia elettrica a temperature compatibili con i sistemi di accumulo tipici del Concentrated Solar Power (CSP).
Come spiega il Cnr attraverso le parole del ricercatore Daniele M. Trucchi, coordinatore dello studio: “Il meccanismo Pete combina la generazione di cariche elettriche mediante radiazione solare ed energia termica associata, superando uno dei limiti storici del fotovoltaico convenzionale: la perdita di efficienza alle alte temperature”.
Il comunicato sottolinea inoltre che “gli esperimenti, in cui i convertitori sono stati testati fino a 750 °C, hanno permesso di individuare una chiara finestra operativa in cui tensione di uscita ed efficienza di conversione raggiungono i valori massimi, rendendo questi dispositivi particolarmente promettenti per l’integrazione diretta nel settore del Concentrated Solar Power (CSP)”.
Dal punto di vista tecnologico, i dispositivi presentano una struttura altamente sofisticata. La superficie è nanotesturizzata per incrementare l’assorbimento della radiazione solare nel visibile, mentre il catodo integra microcanali di grafite realizzati mediante laser, soluzione che favorisce un trasporto elettronico efficiente verso la superficie emittente e garantisce stabilità anche alle alte temperature.
Il margine di miglioramento appare significativo. Come riporta ancora il Cnr: “Altro elemento chiave per l’ulteriore incremento delle prestazioni è rappresentato dallo spessore del catodo: se lo strato di diamante superficiale passasse dagli attuali 100 micrometri a membrane sottili di circa 300 nanometri, potremmo aumentare significativamente l’efficienza del sistema, consentendo di raggiungere una efficienza quantica del 30% e una efficienza solare-elettrica del 14,5% a 425 °C”.
La ricerca, sviluppata nell’ambito del Progetto Prin 2022 Techpro insieme ai ricercatori dell’Università di Roma Tor Vergata, rappresenta un passo rilevante verso convertitori solari a stato solido capaci di operare in ambienti ad alta temperatura.
Le implicazioni per il settore sono particolarmente interessanti: la possibilità di integrare conversione fotovoltaica e accumulo termico in un unico sistema potrebbe contribuire ad aumentare l’efficienza complessiva degli impianti a concentrazione, riducendo una delle criticità storiche della generazione solare.
In questa prospettiva, la tecnologia Black Diamond si configura come un avanzamento nei materiali e al contempo una piattaforma potenzialmente strategica per la prossima generazione di soluzioni rinnovabili ad alte prestazioni.
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