RICERCA ITALIANA     

Sviluppo e prototipazione di nano-dispositivi basati su strutture MIM e MOM per la conversione diretta dell'energia solare

Abstract

Il presente progetto si propone di progettare, realizzare e caratterizzare un prototipo di dispositivo innovativo per la conversione ad alta efficienza della luce solare in energia elettrica.
Il carattere strategico del progetto si inserisce in un contesto nazionale e mondiale in cui la richiesta di energia e l’emissione di CO2 aumenteranno entrambi di circa il 70% tra il 2000 e il 2030. Inoltre, si ritiene che le risorse fossili, come stimate nel 2002, si esauriranno in 40 anni per il petrolio, 60 anni per il gas e 230 anni per il carbone. E’ urgente quindi intervenire per sviluppare tecnologie energetiche alternative ed eco-compatibili.
Il sistema proposto nel progetto è costituito da diversi elementi ciascuno dei quali sarà oggetto di ricerca delle quattro unità operative che costituiscono il gruppo di ricerca, come descritto nei dettagli nei rispettivi modelli B. In particolare è costituito da:
1. un concentratore solare. Permetterà di concentrare, mediante degli specchi opportunamente progettati, la radiazione solare in modo da aumentare di alcuni ordini di grandezza la densità di potenza che giunge sulla superficie dell’assorbitore;
2. un sistema per la conversione della radiazione solare compresa nel range 0.4-3 micron in radiazione infrarossa con banda centrata intorno a 5 micon (energy down-converter). Tale sistema sarà basato sul concetto di emettitori selettivi;
3. una matrice di optical-rectenne per la conversione diretta di >>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Arturo Antonio De Risi Università degli Studi del SALENTO

Obiettivo del Programma di Ricerca

Il presente progetto si propone di progettare, realizzare e caratterizzare un prototipo di dispositivo innovativo per la conversione ad alta efficienza della luce solare in energia elettrica.
Il carattere strategico del progetto si inserisce in un contesto nazionale e mondiale in cui la richiesta di energia e l’emissione di CO2 aumenteranno entrambi di circa il 70% tra il 2000 e il 2030. Inoltre, le risorse energetiche legate al “fossile” si stanno rapidamente esaurendo. Si ritiene che le risorse fossili, come stimate nel 2002, si esauriranno in 40 anni per il petrolio, 60 per il gas e 230 per il carbone. E’ urgente quindi intervenire per sviluppare tecnologie energetiche alternative ed eco-compatibili.
In particolare tale sistema è costituito da diversi elementi ciascuno dei quali sarà oggetto di ricerca delle unità di ricerca che costituiscono il consorzio:
1. un concentratore solare: permetterà di concentrare, mediante degli specchi opportunamente progettati, la radiazione solare in modo da aumentare la densità di potenza che giunge sulla superficie dell’assorbitore;
2. un sistema per la conversione della radiazione solare compresa nel range 0.4-3 micron in radiazione infrarossa con banda centrata intorno a 5 micron (energy down-converter);
3. una matrice di optical-rectenne per la conversione diretta di radiazione infrarossa in corrente elettrica attraverso un carico esterno.
Va sottolineato che per il pieno raggiungimento >>>

Risultati parziali attesi

Il presente progetto si riterrà concluso con successo se si riuscirà a realizzare un prototipo che esposto a luce solare sia in grado di produrre in maniera continuativa energia elettrica


Per quanto riguarda la fisica alla base del funzionamento delle rectenne, ricordiamo che ad oggi non è stata ancora dimostrata la validità del principio per rectenne ottiche, che operino cioè nel campo del visibile. L’elettromagnetismo classico descrive bene il funzionamento di trasmissione e la conversione di energia ad alta efficienza nel campo delle microonde (90%) tramite rectenne con strutture millimetriche e micrometriche. Ma quando si utilizza la radiazione visibile (400 nm-800 nm) la descrizione quantistica dell’interazione è più appropriata. Ne consegue la natura particellare della luce (fotoni) e descrizione ondulatoria degli elettroni nei componenti nanometrici (circa 100 nm) di una rectenna. Non è detto che in questo caso l’effetto sia comunque possibile e/o osservabile con le stesse efficienze di conversione.

Dimostrare l’effetto sarebbe un notevole avanzamento di fisica di base.

Lo sviluppo delle tecnologie associate alla realizzazione del sistema presentano ricadute significative in numerose altre applicazioni quali per esempio: sensori ottici di gas, fotorivelatori per frequenze del TeraHertz (THz), generatori di frequenze armoniche superiori, ecc.


Le ricadute positive dello sviluppo di tale progetto >>>

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

La conversione diretta di energia solare in elettricità avviene di solito mediante l’utilizzo di celle fotovoltaiche. L’effetto fotovoltaico dipende dall’interazione dei fotoni, con energia pari o superiore all’energia di banda del materiale fotovoltaico.
Il concetto di utilizzare le rectenne per la conversione dell’energia solare si basa sul fatto che la radiazione solare è di fatto un onda elettromagnetica. In altre parole, essa può essere descritta come una serie di onde elettriche e magnetiche che s propagano dal Sole verso la Terra. L’utilizzo di rectenne per la trasmissione e ricezione di potenza e segnali nella regione delle micro-onde è oggi una tecnologia matura. Lin et al. [Lin et al.,1996] hanno osservato una corrente di cortocircuito realizzando un dispositivo nanometrico costituito da una serie di dipoli tra loro connessi e da un rettificatore. L’idea di convertire direttamente l’energia solare in elettricità fu formulata anche da Gustafson e Billman [Gustafson, K., Billman, K., 1974]. Brown [Brown, W.C., 1984] presenta uno studio critico sullo stato dell’arte delle rectenne nella regione spettrale delle micro-onde. Gran parte dei primi lavori è stata condotta usando micro-onde con frequenza di 2.45 GHz.

Una rectenna è un dispositivo per convertire l’energia elettromagnetica che si propaga nello spazio libero in corrente continua; esso è costituito da uno o più elementi ciascuno comprendente un’antenna, un diodo come elemento rettificatore >>>