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I nanofili per un'energia sostenibile e rinnovabile

Studi recenti hanno dimostrato che i nanofili a semiconduttore offrono vantaggi unici per una vasta gamma di applicazioni. Un progetto finanziato dall’UE sta inaugurando una nuova era verso approvvigionamenti di energia sostenibile ed efficiente, sfruttando le proprietà insolite di queste strutture minuscole ma altamente controllate.
I nanofili per un'energia sostenibile e rinnovabile
Con l'arrivo di nuovissime tecnologie che cambiano il modo in cui l'elettricità viene generata e utilizzata, uno dei problemi più importanti sarà quello di aumentare l'efficienza e ridurre il costo dell'energia prodotta.

Le nanotecnologie aprono vie radicalmente nuove per affrontare le sfide di cui sopra. In particolare, si prevede che i nanofili a semiconduttore diventino un super-materiale rivoluzionario in grado di aumentare l'efficienza dei costi, riducendo al contempo la quantità di materiale necessaria per la conversione di energia.

Spinti dalle eccitanti potenzialità dei nanofili, i ricercatori hanno messo in piedi il progetto PHD4ENERGY. Il progetto ha offerto l'opportunità di un dottorato di ricerca a 12 studenti, per condurre ricerche interdisciplinari collaborative nel campo delle nanoscienze.

Celle solari multi-giunzione, LED privi di fosforo

Negli ultimi anni, la ricerca sui nanofili semiconduttori ha contribuito a migliorare la comprensione della struttura su scala atomica e a rivelare nuovi fenomeni fisici su scala nanometrica. «I nanofili a semiconduttore offrono la possibilità di combinare facilmente i materiali nella crescita epitassiale. Questo consente, per esempio, una maggiore libertà nella scelta dei materiali quando si progettano multi-giunzioni o eterostrutture in contrasto con i dispositivi planari e quindi potrebbe portare a maggiore efficienza in strutture più semplici», osserva il professor Linke Heiner.

«Le micro-fessure che si formano nei moduli di celle solari planari quando i materiali non si adattano tra loro sono una delle principali fonti di perdite di energia», spiega ancora Heiner. Altri vantaggi nell'uso dei nanofili includono la capacità di mettere a punto la loro interazione con la luce. Le nanostrutture sono efficienti assorbitori di luce e possono fungere da «antenne», raccogliendo molta più luce. Possono quindi usare molto meno materiale, aumentando la sostenibilità. Il fatto che possano attrarre la luce intorno a sé spiana la strada per il fotovoltaico su larga scala utilizzando solo una frazione del materiale.

Sfruttando il piccolo diametro e la geometria cilindrica di minuscoli fili realizzati con semiconduttori III-V, la squadra del progetto ha creato con successo strutture di dispositivi uniche come eterogiunzioni assiali e radiali. Il vantaggio di questo approccio è che le proprietà di conduzione possono essere modulate lungo la lunghezza o attraverso il raggio del nanofilo. Un altro importante risultato verso le celle solari multigiunzione ad alta efficienza basate su nanofili comprende la progettazione di diodi di tunnel di nanofili noti come diodi Esaki, da utilizzare nelle celle solari tandem.

Una parte significativa del loro lavoro era orientata verso la progettazione di strutture a LED di dimensioni nanometriche. Per i LED a luce visibile, i nitruri III (nitruro di gallio indio) sono molto adatti con lacune di banda nell'intervallo visibile di energie fotoniche. Questi LED privi di fosforo hanno consentito di ottenere un'emissione luminosa a lunghezza d'onda più lunga per la luce bianca.

I ricercatori hanno anche condotto studi approfonditi sulle vantaggiose proprietà termoelettriche dei nanofili. Ad esempio, hanno sperimentato per la prima volta che il calore può essere convertito in elettricità con un'efficienza elettronica pari a quella delle centrali ottimizzate.

In pieno accordo con tutte le attività mirate all'applicazione qui spiegate, i dottorandi hanno anche esplorato la sicurezza dei loro nanofili, verificando la potenziale tossicità.

PHD4ENERGY ha studiato nuovi concetti e tecnologie che puntano allo sviluppo di sistemi fotovoltaici di prossima generazione e fonti di luce efficienti. Occupandosi poi delle prospettive di occupabilità dei dottorandi, il progetto ha promosso la collaborazione tra studenti e industria, attraverso un programma di formazione presso la Lund University.

Un successo importante è stato anche la 2016 PhD4Energy Summer School sui convertitori di energia su scala nanometrica, che ha ospitato docenti eccezionali e di livello internazionale. A questa hanno partecipato un gran numero di studenti laureati e post-dottorandi.

Argomenti

Life Sciences

Keywords

PHD4ENERGY, nanofili, celle solari, LED, nanofili semiconduttori, fotovoltaico, accumulo di energia, nanotecnologie, conversione di energia