Sviluppate dal Cnr-Ism e dall’Università di Tor Vergata le prime celle solari ad alta temperatura basate su tecnologia Black Diamond. Possono operare fino a 750°C e integrarsi con il solare termodinamico
Il diamante, simbolo di durezza e resistenza, potrebbe diventare uno dei protagonisti della nuova generazione di energie rinnovabili. Non nei gioielli, ma nei pannelli solari del futuro.
Un team di ricercatori dell’ Istituto di struttura della materia del CNR (Cnr-Ism), insieme all’Università di Roma Tor Vergata, ha progettato e testato le prime celle solari ad alta temperatura basate sulla tecnologia “Black Diamond”. I risultati dello studio sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Joule e aprono scenari nuovi per l’integrazione tra fotovoltaico e solare termodinamico.
Il diamante che produce energia: cos’è la tecnologia Black Diamond
La tecnologia Black Diamond si basa su un’accurata ingegnerizzazione dei difetti del diamante sintetico prodotto industrialmente. In altre parole, si sfruttano imperfezioni controllate nella struttura del materiale per modificarne le proprietà elettroniche e renderlo adatto alla conversione dell’energia solare.
Le celle sviluppate dal DiaTHEMA Lab del Cnr-Ism sono in grado di funzionare in un intervallo di temperatura compreso tra 325 °C e 625 °C, mantenendo prestazioni elevate anche sotto radiazione solare concentrata. Durante i test di laboratorio, i convertitori sono stati spinti fino a 750 °C, dimostrando una stabilità operativa notevole in condizioni estreme.
Si tratta di un risultato importante, perché uno dei limiti storici del fotovoltaico tradizionale è proprio la perdita di efficienza quando la temperatura aumenta. Qui, invece, il calore non è un nemico: diventa parte integrante del processo di produzione di elettricità.
Il meccanismo PETE: quando luce e calore lavorano insieme
Alla base di questa innovazione c’è il meccanismo PETE (Photon-Enhanced Thermionic Emission), che combina l’energia della radiazione solare con quella termica per generare cariche elettriche in modo più efficiente.
A spiegare il cuore della scoperta è Daniele M. Trucchi, ricercatore del Cnr-Ism che ha coordinato lo studio: «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».
Non solo. «Gli esperimenti, in cui i convertitori sono stati testati fino a 750 °C, hanno permesso di individuare una chiara finestra operativa in cui tensione di uscita ed efficienza di conversione raggiungono i valori massimi, rendendo questi dispositivi particolarmente promettenti per l’integrazione diretta nel settore del Concentrated Solar Power (CSP)», ha aggiunto Trucchi.
Il riferimento è alle piattaforme di solare termodinamico a concentrazione, dove grandi specchi convogliano la luce solare su un punto per produrre calore ad alta temperatura, successivamente trasformato in energia elettrica. Con le nuove celle in Black Diamond, luce e calore potrebbero essere sfruttati insieme nello stesso dispositivo.
Un’architettura avanzata per resistere alle temperature estreme
Le nuove celle non si limitano a utilizzare il diamante come materiale innovativo: integrano anche una struttura progettata per massimizzare l’assorbimento della luce e garantire stabilità alle alte temperature.
La superficie è nanotesturizzata, una lavorazione che aumenta in modo significativo la capacità di assorbire la radiazione solare nel visibile. Il “cuore” del dispositivo è invece costituito da un catodo con microcanali di grafite realizzati mediante laser. Questa soluzione favorisce un trasporto elettronico efficiente verso la superficie emittente e assicura un funzionamento stabile anche in condizioni termiche estreme.
Secondo i ricercatori, esistono ulteriori margini di miglioramento. «Altro elemento chiave per l’ulteriore incremento delle prestazioni è rappresentato dallo spessore del catodo: se lo strato di diamante superficiale passasse dagli attuali 100 micrometri a membrane sottili di circa 300 nanometri, potremmo aumentare significativamente l’efficienza del sistema, consentendo di raggiungere una efficienza quantica del 30% e una efficienza solare-elettrica del 14,5% a 425 °C», ha proseguito Trucchi.
Numeri che rendono la tecnologia particolarmente interessante per applicazioni industriali su larga scala.
Un passo avanti per il solare del futuro
La ricerca è stata condotta nell’ambito del Progetto PRIN 2022 TECHPRO e rappresenta un tassello importante nello sviluppo di convertitori solari a stato solido capaci di operare stabilmente in ambienti ad alta temperatura.
Se le sperimentazioni future confermeranno i risultati ottenuti in laboratorio, il Black Diamond potrebbe diventare un elemento strategico per rendere il solare termodinamico più efficiente e competitivo, contribuendo a rafforzare il ruolo delle rinnovabili nel mix energetico.
In un momento in cui la transizione energetica è una priorità globale, trasformare il diamante in un alleato della produzione elettrica potrebbe sembrare un paradosso. E invece potrebbe essere una delle chiavi per produrre più energia pulita, sfruttando al massimo sia la luce sia il calore del sole.
