In sviluppo da ormai 50 anni, i concentratori solari luminescenti (luminescent solar concentrator, LSC) hanno un solo obiettivo: quello di catturare al meglio l’energia solare utilizzando materiali luminescenti per convertire e concentrare la luce su delle apposite celle fotovoltaiche. Un obiettivo ambizioso, e anche difficile da realizzare, perché i fotoni tendono ad autoassorbirsi all’interno della guida d’onda, ovvero nella loro propagazione, rendendo molto difficile la scalabilità degli LSC nel coprire ampie aree. Per fortuna un team di ricercatori dell’Università di Ritsumeikan in Giappone ha sviluppato con l’innovativo modello “leaf LSC” un concentratore solare che permette di superare questi limiti grazie all’aiuto delle foglie.
Leaf LSC, il concentratore solare a forma di foglia
Ispirato alla naturale forma delle foglie, il modello “leaf LSC” è un sistema composto da piccole componenti luminescenti interconnesse che, come descritto nell’articolo pubblicato sul Journal of Photonics for Energy (JPE), prevede l’utilizzo di piastre luminescenti disposte attorno a una fibra centrale, con i lati delle piastre rivolti verso la fibra stessa.
Una soluzione davvero particolare, che permette ai fotoni che colpiscono le piastre di venire convertiti in fotoni luminescenti (PL) e venire poi trasferiti lungo la fibra fino a raggiungere una cella fotovoltaica posta alla sua estremità, impedendo così l’autoassorbimento sopramenzionato. Addirittura si possono collegare ancora più fibre a una singola cella PV, così l’area di raccolta viene ulteriormente amplificata, mentre le perdite di fotoni dovute all’autoassorbimento e alla dispersione si riducono ancora di più.
Tutto questo è reso possibile anche grazie ai suoi materiali luminescenti, che trasformano e concentrano la luce solare sulle celle fotovoltaiche (PV). E addirittura permettono all’LSC in questione di raccogliere anche la luce diffusa, cosa impossibile per i tradizionali concentratori che utilizzano specchi e lenti. Quest’ulteriore innovazione rende ìil “leaf LSC” una soluzione ideale per applicazioni come i fotovoltaici integrati negli edifici, dove la loro semitrasparenza e colorazione possono avere anche un valore estetico.
Vantaggi del design del “leaf LSC”
L’approccio modulare adottato per il “leaf LSC” offre diversi vantaggi significativi. Riducendo le dimensioni laterali dei singoli moduli, i ricercatori hanno inoltre osservato un miglioramento nell’efficienza di raccolta dei fotoni. Ad esempio, riducendo la lunghezza del lato di un “leaf LSC” da 50 mm a 10 mm, l’efficienza di raccolta dei fotoni è aumentata in modo rilevante.
Inoltre, il design modulare permette una facile sostituzione delle unità danneggiate e consente di integrare nuovi materiali luminescenti non appena disponibili, rendendo il sistema flessibile e adattabile alle future innovazioni tecnologiche.
Per aumentare ulteriormente l’efficienza del “leaf LSC”, oltre all’aumento delle “fibre”, i ricercatori hanno incorporato tecniche provenienti dai tradizionali LSC planari, come l’uso di specchi laterali e strutture tandem.
L’ottimizzazione della raccolta dei fotoni attraverso il modello “leaf LSC” potrebbe aprire nuove strade per soluzioni energetiche più flessibili e scalabili. Se ulteriormente sviluppato, questo modello potrebbe addirittura rivoluzionare il campo dei concentratori solari, rendendoli più efficienti e versatili per una vasta gamma di applicazioni, dalle grandi installazioni ai sistemi integrati negli edifici, contribuendo così a un futuro energetico più sostenibile.
Per saperne di più su questo studio, vi consigliamo la lettura del paper integrale pubblicato su Journal of Photonics for Energy:
Hiroto Nishimura, Kohei Okada, Atsuya Suzuki, Yuta Mizuno, Ichiro Fujieda, Enhanced photon collection in leaf-inspired luminescent solar concentrators, J. Photon. Energ. (2024), DOI: 10.1117/1.JPE.14.035501
