La cella termofotovoltaica (TPV) converte in elettricità qualsiasi fonte di calore

Nuovi sviluppi per le celle termo fotovoltaiche che secondo le indiscrezioni saranno anche notevolmente più economiche di quelle attuali.
Le celle termofotovoltaiche (TPV) funzionano come le comuni celle fotovoltaiche, con la differenza che convertono in elettricità la radiazione che viene emessa da una sorgente di calore con temperature molto inferiori a quelle del Sole: per esempio un corpo incandescente ad alta temperatura, come la parete rovente di una caldaia, metallo fuso, bruciatori appositamente progettati e così via. Pertanto, sono particolarmente indicate in ambito industriale – per esempio per sfruttare il calore disperso durante la produzione di vetro o acciaio – oppure in ambito domestico, in aggiunta agli impianti di riscaldamento, per ridurre la dispersione di calore e quindi aumentare l’efficienza degli impianti. Presentano inoltre un’elevata densità di potenza, fino a 100 volte superiore a quella delle celle fotovoltaiche basate sulla radiazione solare. Per contro presentano un rendimento elettrico ancora basso, costi più elevati e necessitano di ulteriore ricerca per ingegnerizzare il sistema. Possono essere realizzate in svariati materiali, anche in combinazione tra di loro: silicio, germanio, composti di gallio, antimonio, indio e arsenico.
La società belga Imec, specializzata nella ricerca in nanotecnologie è una delle aziende più coinvolte in questa ricerca. Quella termofotovoltaica (TPV) è una tecnologia nata negli anni ‘60 al MIT di Boston. Sostanzialmente le celle TPV convertono in elettricità la radiazione che viene emessa da una sorgente di calore con temperature molto inferiori a quelle del Sole. Presentano inoltre un’elevata densità di potenza, fino a 100 volte superiore a quella delle celle fotovoltaiche basate sulla radiazione solare. Dopo tre anni di ricerca le celle TPV passano da una capacità di conversione del 9% al 12%. E questo è solo l’inizio. Per contro hanno un rendimento elettrico ancora basso, costi più elevati e necessitano di ulteriore ricerca per ingegnerizzare il sistema. Possono essere realizzate in svariati materiali, anche in combinazione tra di loro: silicio, germanio, composti di gallio, antimonio, indio e arsenico. Le celle termofotovoltaiche della Imec sono basate sul germanio, considerato uno degli elementi più promettenti per questo tipo di impianti. La novità consiste nel metodo di realizzazione delle celle, finora basato sulla deposizione epitassiale del germanio: una tecnica molto complessa che prevede la crescita del materiale per stratificazione atomica su un particolare substrato che ne determina la struttura. Nel nuovo sistema lo strato di germanio si forma per diffusione su un substrato di silicio amorfo: un’innovazione apparentemente semplice che tuttavia potrebbe essere un passo fondamentale per lo sviluppo di un mercato del termofotovoltaico. È proprio a causa degli alti costi dovuti alla complessità degli impianti, infatti, che finora è stata preclusa a questa tecnologia un vero sbocco commerciale.
Anche l’azienda britannica CIP Technologies ha svelato i dettagli delle sue celle termofotovoltaiche (TPV) su cui a lavorato in collaborazione con la Wafer Technology e l’Università di Oxford e grazie alle quali ora è la detentrice di un nuovo record d’efficienza. Le sue TPV sono tradizionalmente celle in antimoniuro di gallio (GaSb), capaci di sfruttare la radiazione termica degli infrarossi per produrre elettricità, con un’efficienza di conversione del 9%. Questa caratteristica le rende adatte sopratutto nel recupero di calore dagli impianti industriali o nei sistemi di cogenerazione. Dopo tre anni di ricerca la CIP Technologies è riuscita a perfezionare tali dispositivi raggiungendo un’efficienza del 12%. Il “segreto” a quanto riferiscono i ricercatori del CIP consisterebbe nel semiconduttore impiegato, non il GaSb, ma, in questo caso, il fosfuro di indio (InP) che oltre ad una maggiora efficacia di conversione possiede costi più bassi. L’esperimento ha beneficiato dei finanziamenti delle agenzie pubbliche per l’innovazione Technology Strategy Board e Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) e ora punta oltre. Il gruppo di ricerca sta già lavorando alla seconda generazione di celle TPV per migliorarne il design e sperimentare strutture più complesse caratterizzata da più strati, tipica delle celle multi-giunzione. Obiettivo finale raggiungere un livello di efficienza superiore al 15 per cento e renderle adatte ad una gamma di applicazioni ancora più vasta.

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