Sfruttare le Fluttuazioni Quantistiche Potrebbe Portare a Pannelli Solari più Efficienti?

Se gli scienziati hanno ragione, il mondo potrebbe essere sul punto di una crisi climatica.  In tal caso, è necessario intervenire prima piuttosto che dopo per affrontare il problema.  Per molti, il frutto più facile da cogliere nella lotta al cambiamento climatico resta la transizione dalla nostra dipendenza dai combustibili fossili verso opzioni più sostenibili come l’idroelettrico, l’eolico, il geotermico e il solare.  Tuttavia, per realizzare davvero questo cambiamento, è necessario un impegno concertato per far progredire la tecnologia alla base di queste alternative.  Fortunatamente, i ricercatori stanno già lavorando intensamente, con numerosi recenti studi che indicano un futuro promettente per le celle fotovoltaiche, che rendono possibile la raccolta di energia solare.

Risonatori a Farfalla

Uno di questi studi ha delineato con successo un futuro in cui, facendo affidamento sulle fluttuazioni quantistiche, i “risonatori a farfalla” potrebbero potenzialmente auto‑fabbricarsi.

I risonatori a farfalla sono un tipo di struttura destinata a essere utilizzata nelle celle fotovoltaiche di nuova generazione, costruita con l’obiettivo di intrappolare la luce all’interno di un vuoto chiuso.  Lo scopo è massimizzare il tempo di contatto tra la luce intrappolata e il mezzo utilizzato per trasferire/catturare l’energia.  Curiosamente, i risonatori a farfalla prendono il nome dalla loro forma che ricorda quella di un papillon.

In genere, in assenza di perdite, più piccolo è il risonatore, più efficace risulta nell’intrappolare la luce, portando a una maggiore efficienza e cattura di energia.  Sfortunatamente, siamo giunti a un punto in cui le tecniche di produzione tradizionali sono quasi state massimizzate.  È qui che entra in gioco lo studio, che ha cercato di sfruttare le fluttuazioni quantistiche che danno origine alle forze fondamentali note come

• effetto Casimir
• forze di Van der Waals

Lo scopo era guidare essenzialmente l’auto‑assemblaggio di un risonatore molto più piccolo di quanto sia attualmente possibile su larga scala.  Il risultato è stato un avanzamento significativo e riuscito nella produzione di dispositivi semiconduttori, poiché il team è riuscito a sfruttare le forze Casimir‑Van der Waals per un “auto‑assemblaggio deterministico” di nanostrutture di silicio sospese e per la creazione di un vuoto nanoscopico nel risonatore.

In parole povere – invece di tentare di costruire un risonatore a tale scala ridotta, il team ha costruito due metà e ha fatto affidamento sulle fluttuazioni quantistiche per “fonderle” quando poste in estrema prossimità l’una all’altra.  Il documento indica che “Al contrario, la tecnologia semiconduttrice planare ha avuto un immenso impatto tecnologico, grazie alla sua intrinseca scalabilità, ma sembra incapace di raggiungere le dimensioni atomiche abilitate dall’auto‑assemblaggio.”

Cosa Significa?

Le implicazioni di questa tecnologia sono di vasta portata, con potenziali applicazioni in diversi settori. Il documento elabora questo, affermando quanto segue.

“Mentre il nostro lavoro mostra l’auto‑assemblaggio di cavità fotoniche con confinamento da pochi a sub‑nanometri, il nostro metodo potrebbe essere applicato in un campo di ricerca e tecnologia molto più ampio, per esempio, nel sequenziamento di nanopori a stato solido, elettrodi a tunneling quantistico a nanogap o maschere d’ombra ultra‑alta qualità per dispositivi elettronici quantistici superconduttori.

In generale, il nostro lavoro apre prospettive per esplorare nuovi regimi di fotonica, elettronica e meccanica a scale atomiche, consentendo al contempo un’integrazione scalabile e auto‑allineata con architetture di chip su larga scala.”

Il cavità accoppiata a guida d’onda auto‑assemblata è particolarmente interessante per l’interazione luce‑materia potenziata, potenzialmente abilitando il funzionamento di dispositivi a livello di singolo fotone e facilitando nuovi livelli di efficienza non ancora visti nelle celle fotovoltaiche.

Celle Fotovoltaiche a Contatto Posteriore

È importante notare che questo non è l’unico avanzamento potenzialmente rivoluzionario emerso nelle ultime settimane nel campo delle celle fotovoltaiche.  I ricercatori dell’Università di Ottawa (U of O) hanno prodotto con successo le “…prime celle fotovoltaiche micrometriche a contatto posteriore”.

Fonte: www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386423005325?via%3Dihub#abs0015

In sostanza, si tratta di una nuova tecnica di produzione che riduce notevolmente l’“effetto ombra” in una cella fotovoltaica riposizionando i contatti elettrici sul retro.  Ciò significa che il mezzo di raccolta dell’energia può vantare una superficie maggiore, con la quale la luce catturata può interagire.  Questo approccio consente anche una miniaturizzazione significativa delle celle.  Tutto ciò si traduce in una maggiore efficienza e convenienza economica.

Applicazioni Alternative

È interessante notare che queste scoperte non sono importanti solo per la cattura dell’energia solare.  Potrebbero anche indicare una via per la nanotecnologia in generale, dimostrando la fattibilità di sfruttare le fluttuazioni quantistiche e le forze fondamentali come l’effetto Casimir e le forze di Van der Waals.

Materiali auto‑fabbricanti diretti aprirebbero un nuovo regno di possibilità nella scienza dei materiali che influenzerebbe profondamente quasi tutti i settori.  Ciò significa materiali da costruzione più leggeri e più resistenti, elettronica miniaturizzata, farmaci più efficaci, somministrazioni mirate di farmaci e molto altro.

In sintesi, la nanotecnologia potrebbe un giorno trasformare radicalmente queste industrie, rendendola un’area di esplorazione scientifica e tecnologica particolarmente affascinante e promettente.  Tuttavia, è importante riconoscere che un risonatore a farfalla auto‑fabbricato e diretto è solo un passo in una maratona.

Attori del Settore

Sebbene potrebbero passare alcuni anni prima di vedere risonatori a farfalla auto‑assemblanti e celle a contatto posteriore impiegati in applicazioni reali, questi sono i tipi di innovazioni necessarie se vogliamo evitare, o almeno mitigare, la potenziale crisi climatica che già affrontiamo.  Con questo in mente, di seguito sono elencate alcune società quotate in borsa fortemente coinvolte nella crescita dell’industria solare e della tecnologia che la rende possibile.

*I dati forniti di seguito erano accurati al momento della stesura e sono soggetti a variazioni.  Qualsiasi potenziale investitore dovrebbe verificare le metriche*

1. NextEra Energy Resources

NEE Grafico dei prezzi

NextEra Energy (NEE ) Resources è la principale azienda di energia pulita del Nord America, leader nella produzione di energia eolica e solare.  Sviluppa, costruisce e gestisce progetti di energia elettrica, inclusi più di 150 centri energetici eolici e solari universali in 26 stati degli USA e quattro province del Canada, generando oltre 17.000 megawatt di energia eolica e solare.

2.  First Solar

FSLR Grafico dei prezzi

First Solar (FSLR ) progetta e produce sistemi di energia solare e moduli solari utilizzando la tecnologia a semiconduttore a film sottile.  Offre inoltre servizi di supporto come finanziamento, costruzione, manutenzione e riciclo dei pannelli a fine vita.

3. SolarEdge Technologies

SEDG Grafico dei prezzi

SolarEdge Technologies (SEDG ) è un leader globale nella tecnologia energetica intelligente. Offre soluzioni per fotovoltaico, stoccaggio, ricarica di veicoli elettrici, batterie, sistemi di alimentazione ininterrotta e servizi di rete.  L’azienda è nota per la sua soluzione di inverter DC‑ottimizzato SolarEdge, che massimizza la generazione di energia riducendo al contempo i costi dell’energia prodotta dai sistemi fotovoltaici.

Considerazioni Finali

I progressi nella tecnologia fotovoltaica, in particolare lo sviluppo di risonatori a farfalla auto‑assemblanti e di celle fotovoltaiche a contatto posteriore, rappresentano un passo significativo nell’affrontare le urgenti sfide del cambiamento climatico.  Queste innovazioni rappresentano più di un progresso scientifico; sono passi critici verso la realizzazione di un futuro energetico sostenibile.

Man mano che queste tecnologie si avvicinano a una diffusione più ampia, promettono di rendere l’energia solare più efficiente, conveniente e accessibile, accelerando così la transizione dai combustibili fossili.  Questo progresso nella tecnologia solare non solo è in linea con gli obiettivi ambientali, ma sottolinea anche il potenziale delle energie rinnovabili di diventare una fonte energetica dominante e pratica nel prossimo futuro.