Celle solari ad alta temperatura in Black Diamond
Dal Cnr-Ism le prime celle solari capaci di operare fino a 625 °C
Tecnologia Black Diamond e regime PETE aprono una nuova era per il solare termodinamico (CSP)
Una nuova frontiera dell’energia rinnovabile arriva dalla tecnologia Black Diamond, che utilizza il diamante sintetico ingegnerizzato per realizzare celle solari ad alta temperatura capaci di operare in condizioni estreme. L’innovazione è stata sviluppata dal DiaTHEMA Lab del Cnr-Ism (Istituto di Struttura della Materia del Consiglio Nazionale delle Ricerche) di Roma Montelibretti, in collaborazione con l’Università di Roma Tor Vergata, ed è stata pubblicata sulla prestigiosa rivista scientifica Joule.
La ricerca rappresenta un passo decisivo verso l’integrazione tra fotovoltaico avanzato e solare termodinamico (Concentrated Solar Power – CSP), superando uno dei limiti storici dei pannelli tradizionali: la perdita di efficienza alle alte temperature.
Tecnologia Black Diamond: come funziona
La tecnologia Black Diamond si basa su un’accurata ingegnerizzazione dei difetti del diamante sintetico prodotto industrialmente. Questo processo consente di realizzare dispositivi capaci di operare in un intervallo termico compreso tra 325 °C e 625 °C, con test sperimentali condotti fino a 750 °C.
In questo range di temperatura, le celle operano in regime PETE (Photon-Enhanced Thermionic Emission), un meccanismo che combina:
- generazione di cariche elettriche tramite radiazione solare
- contributo energetico del calore
Il risultato è una risposta sinergica luce-calore che permette di mantenere elevata l’efficienza di conversione anche in condizioni termiche estreme, rendendo queste celle ideali per applicazioni in impianti CSP con sistemi di accumulo termico.
Come spiega Daniele M. Trucchi, ricercatore del Cnr-Ism e coordinatore dello studio:
“Il meccanismo PETE supera uno dei limiti del fotovoltaico convenzionale: la riduzione delle prestazioni alle alte temperature. Abbiamo individuato una finestra operativa in cui tensione ed efficienza raggiungono i valori massimi, rendendo questi dispositivi particolarmente promettenti per l’integrazione diretta nei sistemi di Concentrated Solar Power”.
Architettura avanzata: nanotesturizzazione e microcanali in grafite
Le nuove celle solari in Black Diamond presentano un’architettura altamente innovativa:
- Nanotesturizzazione superficiale per aumentare l’assorbimento della radiazione solare nel visibile
- Catodo con microcanali in grafite, realizzati tramite laser
- Trasporto elettronico ottimizzato verso la superficie emittente
- Elevata stabilità operativa anche a temperature estreme
Questa combinazione strutturale consente una maggiore efficienza di conversione e una stabilità termica superiore rispetto ai dispositivi fotovoltaici tradizionali.
Verso efficienze del 30%: le prospettive di sviluppo
Un ulteriore salto prestazionale potrebbe arrivare dalla riduzione dello spessore del catodo. Attualmente lo strato superficiale in diamante è di circa 100 micrometri, ma secondo i ricercatori il passaggio a membrane sottili di circa 300 nanometri potrebbe:
- aumentare l’efficienza quantica fino al 30%
- raggiungere un’efficienza solare-elettrica del 14,5% a 425 °C
Numeri che collocano questa tecnologia tra le più promettenti per la produzione di energia rinnovabile ad alta efficienza in ambienti ad alta temperatura.
Il progetto PRIN TECHPRO e il futuro del solare a stato solido
La ricerca è stata sviluppata nell’ambito del Progetto PRIN 2022 TECHPRO, in collaborazione con l’Università di Roma Tor Vergata.
L’obiettivo è la realizzazione di convertitori solari a stato solido capaci di operare in ambienti ad alta temperatura, integrabili direttamente nei sistemi di solare termodinamico con accumulo.
L’innovazione Black Diamond segna quindi un passaggio strategico verso una nuova generazione di dispositivi energetici in grado di unire:
- alta efficienza
- stabilità termica
- integrazione con sistemi CSP
- maggiore competitività delle rinnovabili
Il diamante, da materiale prezioso, diventa così un elemento chiave per la transizione energetica.
