Il Diathema Lab del Cnr-Ism, che in collaborazione con l’Università di Roma Tor Vergata ha progettato e testato le prime celle solari basate sulla tecnologia Black Diamond. Lo studio, pubblicato sulla prestigiosa rivista Joule, descrive dispositivi in grado di convertire la radiazione solare in elettricità in condizioni termiche estreme, dove i comuni pannelli al silicio smetterebbero di funzionare.
Il cuore dell'innovazione risiede nel regime operativo PETE (Photon-Enhanced Thermionic Emission). A differenza delle celle convenzionali, che perdono drasticamente efficienza con l'aumentare della temperatura, questi convertitori sfruttano sinergicamente sia la radiazione solare che l'energia termica associata.
"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", spiega Daniele M. Trucchi, coordinatore dello studio per il Cnr-Ism. I test condotti fino a 750 °C hanno confermato una finestra operativa ottimale tra 325 °C e 625 °C, rendendo questi convertitori compatibili con i sistemi di accumulo termico delle centrali a solare termodinamico (Concentrated Solar Power - CSP).
Architettura e ingegneria dei difetti
La tecnologia Black Diamond trova il suo fondamento in un'accurata ingegnerizzazione dei difetti del diamante sintetico, che permette di dare vita a un'architettura di dispositivo estremamente avanzata e performante. Questo sistema integra una raffinata nanotesturizzazione superficiale, studiata specificamente per massimizzare l'assorbimento della luce visibile, e si avvale di microcanali di grafite realizzati mediante laser, la cui funzione è quella di favorire un trasporto elettronico fluido ed efficiente verso la superficie emittente. A completare questa struttura complessa interviene un catodo in diamante, che funge da nucleo progettato per garantire una stabilità strutturale impeccabile anche quando il convertitore è sottoposto alle sollecitazioni termiche estreme tipiche della radiazione solare concentrata.
Prospettive future: verso l'efficienza quantica del 30%
Il passaggio da prototipo a soluzione industriale dipenderà dall'ottimizzazione degli spessori dei materiali. Lo studio indica che riducendo lo strato di diamante dai 100 micrometri attuali a membrane sottili da circa 300 nanometri, le prestazioni potrebbero subire un incremento radicale.
Secondo Trucchi, questa evoluzione permetterebbe di "raggiungere una efficienza quantica del 30% e una efficienza solare-elettrica del 14,5% a 425 °C". I risultati, ottenuti nell'ambito del Progetto PRIN 2022 TECHPRO, segnano un passo decisivo verso convertitori a stato solido per ambienti estremi, aprendo la strada a una produzione di energia rinnovabile più flessibile e integrata.
Immaginedi cover : rappresentazione grafica delle celle solari in "Black Diamond"
