Nanorod di Titanio: Il Futuro dei Pannelli Solari

Come le Proprietà Fotoreattive del Titanio Migliorano le Prestazioni Solari

La reazione di alcuni metalli o elementi specifici alla luce è già una parte molto importante del mondo moderno. Questo è ovviamente vero per il silicio nei pannelli solari, ma è anche vero per molti sensori, dispositivi elettronici e molte altre apparecchiature sensibili alla luce.

Uno di questi metalli è il titanio. Sebbene gran parte della reputazione del titanio provenga dal suo essere una sorta di “super acciaio”, forte ma molto più leggero e resistente alla corrosione, questo non è in realtà il suo utilizzo principale.

Il biossido di titanio (TiO₂) consuma il 95% del minerale di titanio grezzo estratto ed è usato come pigmento bianco permanente molto resistente in vernici, carta, dentifricio e plastica. Questo pigmento è resistente alla luce solare e chimicamente inerte. Può poi essere mescolato con sostanze chimiche per creare colori vivaci e vernici.

Le stesse proprietà ottiche sono il motivo per cui è usato anche nelle creme solari, grazie alla sua capacità di riflettere e assorbire gli UV.

Fonte: Chemours

Un altro esempio delle notevoli proprietà ottiche del titanio è rappresentato dai perovskiti, un tipo di cristallo naturalmente presente composto da ossido di calcio e titanio (CaTiO3). Le celle solari perovskite, spesso chiamate anche celle solari a film sottile, possono essere installate in combinazione con il silicio o come cella solare autonoma.

Fonte: Department Of Energy

Questo è il motivo per cui gli scienziati stanno cercando modi per far reagire il titanio ancora di più con la luce solare e altre fonti luminose.

I ricercatori dell’Università di Scienza e Tecnologia della Cina e dell’Accademia Cinese delle Scienze hanno scoperto un nuovo modo per far crescere array di nanorod di biossido di titanio (TiO₂-NA) e hanno dimostrato la loro applicazione in celle solari ad alte prestazioni.

Hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista scientifica Small Methods¹, sotto il titolo “Unveiling Growth and Photovoltaic Principles in Density-Controllable TiO2 Nanorod Arrays for Efficient Solar Cells”.

Nanorod Metallici

Quando si tratta di reazioni chimiche o ottiche, la superficie reale di un metallo è importante. Se è liscia, sarà approssimativamente della stessa dimensione del materiale visibile ad occhio nudo.

Ma se presenta microstrutture più complesse, può avere decine o centinaia di volte più superficie di contatto, aumentando l’efficienza e la velocità della reazione desiderata.

Ad esempio, così è come i ricercatori stanno usando nanorod di nichel per catalizzare la produzione di idrogeno senza metalli preziosi come il platino.

Lo stesso metodo può essere usato per creare nanorod di titanio, con diametro di pochi nanometri.

Fonte: ResearchGate

È noto che i nanorod di TiO₂ monocristallini eccellono nella raccolta della luce e nella conduzione della carica, rendendoli ideali per celle solari, fotocatalizzatori e sensori.

Tuttavia, i metodi di fabbricazione tradizionali faticano a controllare tutti i parametri contemporaneamente, come densità, diametro e lunghezza dei nanorod. Almeno fino a ora.

Come si Ottiene la Crescita Controllata dei Nanorod

I ricercatori hanno migliorato una fase in cui il film è sottoposto a trattamento idrotermico, dove le nanoparticelle vengono convertite in situ in rutile (una forma di biossido di titanio).

Fonte: ResearchGate

Essi fungono da semi per la successiva crescita dei nanorod. Questo metodo fornisce un modo efficace per controllare la densità dei nanorod senza alterare le loro dimensioni.

Fonte: ResearchGate

In questo modo, i ricercatori sono riusciti per la prima volta a produrre diametro e altezza costanti dei nanorod, anche se il numero di nanorod per area variava.

Fonte: ResearchGate

Nanorod di Titanio nell’Efficienza delle Celle Solari di Nuova Generazione

Questi nanorod sono stati incorporati in celle solari CuInS₂ a processo a bassa temperatura (rame-indio-zolfo). Questo tipo di pannello solare, ancora in sviluppo, potrebbe essere un’alternativa non tossica ai semiconduttori a base di cadmio.

Fonte: ResearchGate

I nanorod di titanio hanno migliorato la cattura della luce, la separazione delle cariche e la raccolta dei portatori nella cella solare.

La cella solare ha raggiunto un’efficienza di conversione energetica del 10,44%, un nuovo record per questo tipo di cella.

Ciò non significa che le celle solari CuInS₂ siano pronte per applicazioni commerciali, poiché le celle in silicio più comuni o, anche le celle a film sottile perovskite e cadmio-telluride, hanno efficienze superiori al 20%.

Il design è comunque promettente, poiché potrebbe essere prodotto in massa (sintetizzato e lavorato con metodi basati su soluzioni) e teoricamente potrebbe essere efficiente quanto le celle al silicio.

Questo tipo di materiale potrebbe anche essere integrato in altri progetti di celle solari, come strato assorbente principale in un design più complesso che incorpora altri elementi.

Confronto delle Tecnologie delle Celle Solari

Investire nel Solare

First Solar è il più grande produttore di pannelli solari negli USA e in tutto l’emisfero occidentale, con siti di produzione negli Stati Uniti, in Malesia e in Vietnam.

L’azienda non utilizza la classica tecnologia del silicio cristallino e invece utilizza i suoi fotovoltaici a film sottile proprietari. Basati sul cadmio-telluride, sono più efficienti, prodotti a costi inferiori e possono essere facilmente prodotti in massa. I pannelli solari a film sottile sono anche più durevoli, mantenendo l’89% delle prestazioni originali dopo 30 anni.

Fonte: First Solar

Il cadmio e il telluride sono sottoprodotti dell’estrazione di altri metalli, il che significa che i prodotti First Solar hanno un impatto minimo, utilizzando risorse che prima avevano poco utilizzo. I pannelli a film sottile possono anche avere un alto tasso di riciclo.

Il vantaggio tecnologico di First Solar, combinato con la sua posizione geografica, lo rende il probabile beneficiario della spinta crescente dei paesi occidentali a procurarsi i pannelli al di fuori della Cina.

L’azienda sta aumentando rapidamente la capacità produttiva, puntando a raggiungere una capacità nominale di 25 GW entro il 2026, dagli attuali 11 GW.

Mentre si concentra sulla produzione dei pannelli a base di cadmio-telluride più maturi oggi, First Solar sta esplorando altre tecnologie a film sottile man mano che saranno pronte per la produzione su scala commerciale.

Ha commentato nella sua presentazione per gli investitori che il perovskite dovrebbe avere una “linea di sviluppo pronta per produrre campioni tecnologici di perovskite, simulando condizioni simili alla produzione”.

First Solar ha speso un totale di 2 miliardi di dollari in R&D sin dalla sua fondazione.

Nel complesso, First Solar è un leader tecnologico che trarrà vantaggio dalle tariffe sulle importazioni cinesi, qualcosa che probabilmente compenserà l’effetto negativo sull’industria solare dalla rielezione di Trump.

Pur essendo finora focalizzata sui film sottili a base di cadmio-telluride, la sua esperienza nella produzione di pannelli solari non a base di silicio potrebbe darle un vantaggio significativo con perovskiti o altri pannelli solari a base di titanio, soprattutto considerando i suoi stretti legami con alcuni dei principali ricercatori in questo campo.

Ultime Notizie e Sviluppi sulle Azioni di First Solar (FSLR)

Studio di Riferimento

^{1. Wenbo Cao, Chao Dong, Chaofan Zheng, Jiajin Kuang, Yang Wang, Faisal Naveed, Mengqi Jin, Yingying Dong, Chong Chen, Mingtai Wang. Svelare i Principi di Crescita e Fotovoltaici in Array di Nanorod di TiO2 a Densità Controllabile per Celle Solari Efficienti. Small Methods. 22 aprile 2025. https://doi.org/10.1002/smtd.202500264}