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 tre unità operative che costituiscono il consorzio, come descritto nei dettagli nei rispettivi modelli B2. 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 m -3 m in radiazione infrarossa con banda centrata intorno a 5 m (energy down-converter). Tale sistema sarà basato sul concetto di emettitori selettivi; 3. una matrice di optical-rectenne per la conversione diretta di radiazione infrarossa in corrente elettrica attraverso un carico esterno. La matrice di è formata a partire da singoli elementi ciascuno dei quali e costituito da: a) una antenna per la raccolta della radiazione elettromagnetica, b) alcuni filtri di adattamento di impedenza, c) un un diodo rettificatore costituito da un multistrato Metallo/Isolante/Metallo e/o Metallo/Ossido/Metallo (MIM , MOM). Il concetto di "antenna rettificante" (o rectenna), che rappresenta il vero carattere strategico ed innovativo del progetto, è stato proposto per la prima volta nel 1973 da Dr. R. Bailey, ma solo recentemente è stato riesaminato per il suo utilizzo nella conversione diretta di energia solare in virtù dei notevoli progressi della nanotecnologia. Solo con lo sviluppo di processi di nano-lavorazione, è possibile il disegno e la realizzazione di strutture delle dimensioni dell’ordine dei nanometri, le quali risultano necessarie per la sintonizzazione della rectenna alle frequenze caratteristiche dello spettro visibile-infrarosso. Ricordiamo che o spettro solare è compreso nella regione 0.4 m-3 m (corrispondenti ad un intervallo di frequenze 1500 THz a 150 THz, con 1 THz = 1012 Hz). Teoricamente un’efficienza del 96% è prevista per sistemi realistici operanti nel visibile. Sperimentalmente si è misurata una efficienza di conversione di oltre 85% nella regione delle microonde, mentre nel 1989 l'effetto è stato dimostrato in un dispositivo operante nel lontano infrarosso (10 m corrispondenti a 30 THz) benché ad efficienze ancora molto basse (circa 1%) . La prova di validità del concetto nella regione spettrale del visibile non è stata ancora dimostrata. Lo sviluppo del dispositivo proposto avrebbe inoltre numerose ricadute, di carattere tecnologico e di conoscenza, che potrebbero rivelarsi innovative in altri campi di applicazione come ad esempio: nuove tipologie di sensori ottici per gas, fotorivelatori per frequenze del Tera Hertz (THz), generatori di frequenze armoniche superiori, microsistemi. Le tre unità operative (UO1, UO2, UO3) coinvolte nel seguente progetto posseggono competenze fortemente complementari nel campo delle conoscenze in gestione di sistemi complessi per la produzione di energia (UO1), progettazione e caratterizzazione di antenne e metamateriali, (UO2), realizzazione e caratterizzazione di dispositivi nano-strutturati (UO3).