L’upconversione di fotoni potrebbe espandere il potenziale dell’idrogeno solare

Quando si tratta di convertire la luce solare in energia utile, gran parte degli sforzi è stata concentrata sul fotovoltaico, poiché questo è un metodo che può convertire gran parte dell’emissione energetica del Sole in elettricità.

Tuttavia, ciò non significa che sia l’opzione più efficiente per tutte le applicazioni. Per esempio, se l’obiettivo è produrre idrogeno verde, si crea un processo a più fasi in cui l’efficienza si perde ad ogni passaggio: luce solare -> energia -> trasmissione -> elettrolisi -> idrogeno.

Ecco perché sono stati investigati diversi approcci, in particolare l’uso diretto della luce solare per convertire l’acqua in idrogeno, un processo noto come fotocatalisi.

Il problema è che, anche con i catalizzatori giusti, la maggior parte della luce solare si trova nelle gamme visibile e infrarossa, che semplicemente non sono sufficientemente energetiche per scindere le molecole d’acqua in idrogeno. Quindi, anche con silicon carbide boosting photocatalysis efficiency, non è ancora ideale. In gran parte, solo la parte ultravioletta (UV) dello spettro luminoso è abbastanza forte.

Ecco perché la scoperta da parte dei ricercatori giapponesi dell’Università di Kyushu e dell’Istituto per le Scienze Molecolari, SOKENDAI, che un nuovo metodo allo stato solido potrebbe essere usato per aumentare i livelli di energia dei fotoni, potrebbe rappresentare una svolta per la futura produzione di idrogeno verde. Hanno pubblicato i loro risultati nella prestigiosa rivista Nature Communications¹, con il titolo “Sterically protected π-electron systems for efficient solid-state photon upconversion”.

Da luce visibile a UV

La fotocatalisi dell’acqua in idrogeno potrebbe aumentare radicalmente la produzione di energia verde. Questo perché l’idrogeno verde è un elemento chiave mancante per immagazzinare energia per settimane e mesi di scarsa luce solare o assenza di vento, ed è anche il combustibile perfetto per decarbonizzare settori come la navigazione e il volo aereo, sia direttamente sia attraverso la produzione di ammoniaca e carburante artificiale. Ma sfortunatamente, solo l’UV è sufficientemente forte per eseguire la fotocatalisi.

“Sebbene i fotocatalizzatori inorganici che utilizzano luce ultravioletta (UV) abbiano raggiunto una scissione dell’acqua fotocatalitica ad alta efficienza, soffrono della bassa frazione di UV nella luce solare (circa il 3% per l’intervallo 300–400 nm).”

Ma l’alternativa potrebbe non essere un catalizzatore migliore, ma la conversione della luce visibile, molto più abbondante, in UV, o “upconversione di fotoni”.

I ricercatori si sono concentrati su un processo chiamato triplet–triplet annihilation-based photon upconversion (TTA-UC). Nella sua spiegazione più semplice, questo fonde due fotoni a bassa energia in un singolo fotone ad energia più alta, facendoli assorbire da una molecola accettrice prima di essere riemessi.

Fonte: Nature

Ottimizzare la stabilità dell’upconversione di fotoni

Da liquido a cristalli

Finora, i metodi di upconversione che utilizzano molecole come 1,4-bis((triisopropylsilyl)ethynyl)naphthalene (TIPS-Nph) e 2,5-diphenyloxazole (PPO) hanno buoni rendimenti quantici (ΦUC), ma la volatilità del solvente rappresenta una limitazione critica per le applicazioni dei dispositivi e l’uso a lungo termine.

Una soluzione pratica consiste invece nel necessitare materiali stabili che possano essere distribuiti su larga scala, con manutenzione minima o nulla, in modo che interi campi di convertitori fotocatalitici possano essere impiegati per produrre massivamente idrogeno verde.

Nei cristalli e negli accettori solidi, un fenomeno chiamato “singlet quenching” può ridurre il rendimento quantico.

I ricercatori hanno utilizzato la sostituzione con catene alchiliche (aggiungendo catene di carbonio più lunghe) nelle molecole organiche usate come accettori per aumentare sia la stabilità sia ridurre le occorrenze di singlet quenching.

Fonte: Nature

Misurare le prestazioni dei cristalli

I ricercatori hanno usato una molecola chiamata DHI (5,10-dihydroindeno[2,1-a]indene) con un rendimento quantico quasi perfetto del 96% quando è in forma liquida (soluzione). Ma normalmente il rendimento diminuisce notevolmente quando è in forma cristallina.

Aggiungendo le catene di carbonio extra alla molecola, la forma cristallina del DHI può raggiungere rendimenti quantici fino al 64%-69%. Questi risultati elevati indicano che le molecole donatrici sono uniformemente disperse all’interno del cristallo accettore, consentendo una sensibilizzazione del tripletto efficiente.

Fonte: Nature

Il materiale potrebbe anche essere prodotto con semplici tecniche di formazione di film, come la colata a temperatura ambiente e lo spin coating, senza richiedere trattamenti termici speciali, rendendolo più probabile per future applicazioni industriali su larga scala.

Il processo è anche tollerante all’ossigeno e lo richiede, il che significa che non è necessario che avvenga in un ambiente sigillato e privo di ossigeno, un altro elemento importante da raggiungere per le applicazioni commerciali.

“TTA-UC si attiva quando l’ossigeno nel sistema viene consumato tramite conversione in ossigeno singoletto. Il film iBu-DHI/Ir(ppy)3 ha mostrato upconversione in aria anche sotto intensa irradiazione (λdt = 370 nm, Iex = 2.0 W cm–2) per più di 1 h.”

Fonte: Nature

Le prestazioni dei cristalli dipendono generalmente dalla struttura microscopica a livello atomico. Pertanto i ricercatori hanno prima effettuato calcoli teorici per determinare la probabile struttura di questi cristalli.

Successivamente hanno testato il cristallo con cristallografia a raggi X e hanno scoperto che i pattern di diffrazione a raggi X dei cristalli singoli e quelli dei film spin-coated erano simili, dimostrando perché questo metodo ha funzionato.

Fonte: Nature

Ciò non significa che i cristalli non possano essere ulteriormente ottimizzati, con un rendimento ancora più alto teoricamente possibile mediante un metodo più preciso per controllare la creazione dei singoli cristalli e la loro organizzazione in uno strato sottile.

“Le prestazioni dell’attuale sistema solido Vis-to-UV TTA-UC potrebbero essere ulteriormente migliorate ottimizzando la struttura molecolare del donatore e impiegando un processo di cristallizzazione controllata.”

Applicazioni future

Attualmente, la produzione di idrogeno è dominata dall’“idrogeno grigio” prodotto da combustibili fossili, e una piccola ma crescente parte è prodotta da energia rinnovabile, o “idrogeno verde”, che fatica ancora a essere economicamente competitivo rispetto ad altri combustibili.

In definitiva, utilizzare direttamente la luce solare per produrre idrogeno, senza massicce trasmissioni di energia, batterie, cavi e elettrocatalizzatori, potrebbe ridurre notevolmente il prezzo totale di tale installazione. L’assenza di passaggi intermedi migliorerà anche l’efficienza energetica complessiva della produzione di idrogeno verde, un problema serio con i metodi che utilizzano l’elettrocatalisi.

“Il principio di progettazione dei cromofori DHI π-protetti sviluppati in questo studio sarà ampiamente esteso a vari cromofori. Consente eccellenti proprietà TTA-UC in film sottili preparati con semplici metodi di spin-coating e drop-casting, aprendo la strada a vaste applicazioni e promettendo di rivoluzionare la chimica fotofunzionale che coinvolge triplette eccitate.”

Tali nuovi materiali allo stato solido con buona stabilità potrebbero rendere commercialmente realizzabili i materiali fotonici di nuova generazione, convertendo fotoni a bassa intensità e abbondanti in fotoni UV ad alta intensità che generano idrogeno.

Investire nell’energia solare avanzata

First Solar

Attualmente, la maggior parte dei pannelli fotovoltaici del mondo è prodotta in Cina, grazie all’ampio ecosistema del paese nella produzione di polisilicio e nella fabbricazione di celle solari.

Tuttavia, esiste un’altra tecnologia rispetto alle celle solari a base di silicio, e uno dei sopravvissuti dell’industria solare in Occidente, First Solar, è leader in questo campo, utilizzando celle solari al tellururo di cadmio. Sono entrambe più facili da produrre (tecnologia a film sottile) e hanno un’efficienza più alta rispetto alle celle a base di silicio, sebbene con costi più elevati per la materia prima.

Questo tipo di cella è anche più durevole, il che può cambiare l’equazione sia per i proprietari di case sia per le compagnie di servizi pubblici nel calcolare il costo di vita di una cella solare e la sua svalutazione. Questo è particolarmente vero poiché il rapido progresso nella resa delle celle solari e la diminuzione dei costi si sono rallentati negli ultimi anni.

Fonte: First Solar

Poiché la produzione di celle al tellururo di cadmio è un processo di fabbricazione per lo più automatizzato, è relativamente meno sensibile alle differenze nei costi del lavoro. Ciò può rendere la sua produzione nei paesi occidentali molto più competitiva, soprattutto quando vengono vendute localmente, e rimuove i costi di spedizione dall’equazione.

Invece di molteplici fabbriche, con ogni attore specializzato in un segmento come la purificazione del polisilicio, e con molti giorni per produrre una cella solare, First Solar può passare dalle materie prime al prodotto finito in meno di 4 ore.

Fonte: Department Of Energy

A lungo termine, First Solar prevede di poter riciclare completamente il tellururo di cadmio dalle vecchie celle, e il 90% del totale delle celle solari. Il restante 5-10% dei rifiuti di modulo riciclati è costituito principalmente da particelle fini di vetro, che vengono catturate da sistemi di controllo della polvere e da sistemi di filtrazione HEPA (High-Efficiency Particulate Air).

Ciò potrebbe ridurre i costi dei materiali, eliminare il costo ecologico dell’estrazione delle risorse e rimuovere eventuali rischi di inquinamento.

“Con ogni modulo venduto, abbiamo anche venduto il servizio di ritiro dei moduli a fine vita e il loro riciclo. È stato praticamente 8 anni prima che la normativa arrivasse in Europa. Ora abbiamo la direttiva sui rifiuti elettronici dove il fotovoltaico è parte di essa.”

Andreas Wade – Direttore Globale della Sostenibilità presso First Solar Future Techs

Oltre al tellururo di cadmio, First Solar sta anche esplorando tecnologie di celle solari ancora più avanzate, come le celle perovskite e le celle ibride cadmium telluride-perovskite, che potrebbero avere un’efficienza più alta e una durata ancora maggiore.

A lungo termine, l’esperienza di First Solar nella produzione di pannelli fotovoltaici a film sottile potrebbe anche essere applicata a celle fotocatalitiche per la produzione di idrogeno.

Nel complesso, First Solar è un’ottima azione per gli investitori che desiderano investire nel boom dell’energia solare con un focus sui produttori occidentali, invece dei produttori cinesi più sensibili dal punto di vista geopolitico.

(Puoi leggere di più su First Solar nel nostro rapporto d’investimento dedicato all’azienda e sull’energia solare nel nostro rapporto “The Solar Age – A Bright Future To Mankind”)

Ultime notizie e sviluppi sull’azione First Solar (FSLR)

Studio di riferimento

^{1. Harada, N., Shoyama, H., Boonmong, N. et al. Sterically protected π-electron systems for efficient solid-state photon upconversion. Nature Communications. 17, 5134 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-73898-0}