Silvia Calabrese, laureata in Fisica all’università di Ferrara ora studentessa del master in Comunicazione delle scienze a Padova, si è recentemente aggiudicata il premio di laurea del Comitato Leonardo 2014 sulle Energie rinnovabili concesso dal G.S.E. (Gestore dei Servizi Energetici). La sua ricerca si è segnalata in particolare per l’innovazione tecnologica nella produzione di energia da fonti rinnovabili. 

La ricerca nel campo del fotovoltaico, una delle forme più promettenti di energia rinnovabile per il futuro, sta cercando di superare i limiti fondamentali della diffusione dell'energia solare fotovoltaica: la grande quantità di materiale semiconduttore necessario e la bassa efficienza di conversione energetica. Nuovi studi nel settore stanno evidenziando come il fotovoltaico a concentrazione possa essere una strada percorribile per il superamento di questi limiti. Nuovi dispositivi sono stati sviluppati all’interno del Laboratorio fotovoltaico del dipartimento di Fisica e Scienze della Terra dell’università di Ferrara, prototipi innovativi e unici realizzati per studiarne le prestazioni e l’applicabilità su larga scala. E le prime applicazioni sperimentali sul campo stanno già avendo luogo.

Il fotovoltaico a concentrazione rappresenta una delle tecnologie che promette i più ampi margini di miglioramento delle efficienze e per cui esiste la possibilità di un abbassamento dei costi. Questa tecnologia utilizza sistemi ottici economici quali lenti e specchi e sistemi di puntamento e inseguimento solare, che consentono un continuo orientamento del sistema verso il sole. Si ha così una sostanziale diminuzione della quantità di materiale semiconduttore utilizzato rispetto ai pannelli fotovoltaici tradizionali (fotovoltaico piano) il che comporta anche una riduzione delle dimensioni complessive del sistema. 

In genere la ricerca nel campo del fotovoltaico a concentrazione prevede l’utilizzo di celle multigiunzione, celle fotovoltaiche ad alta efficienza formate dalla sovrapposizione di più strati di materiali semiconduttori differenti. Nell’ambito della nostra ricerca invece sono state utilizzate celle a singola giunzione, impiegate in genere nel fotovoltaico piano, costituite da un solo tipo di materiale semiconduttore e in grado di convertire efficientemente in energia elettrica solo una determinata porzione dello spettro elettromagnetico. Ad esse è stato associato uno specifico filtro ottico, il filtro dicroico,  capace  di separare la radiazione solare in fasci distinti (separazione spettrale) e di convogliarla su differenti celle fotovoltaiche. 

Ciò permette di ridurre drasticamente uno dei principali limiti dei sistemi che utilizzano celle a multigiunzione, ossia una produzione efficiente di elettricità concentrata quasi esclusivamente nelle ore centrali della giornata. Grazie alla separazione spettrale invece è possibile mantenere un’efficienza pressoché costante nell’arco della giornata e per un intervallo di tempo maggiore rispetto alle celle multigiunzione: il sistema può produrre al massimo delle proprie capacità ad ogni ora del giorno.

I risultati ottenuti dalla sperimentazione sono promettenti e mostrano livelli di efficienze confrontabili con i sistemi a multigiunzione, con ampi margini di miglioramento per il sistema a separazione spettrale. Al punto che il metodo è stato utilizzato nell’ambito del progetto Fenice che rappresenta il primo test sul campo per l'affermazione di questa innovativa tecnologia. 

Il fotovoltaico a concentrazione con separazione spettrale costituisce una promettente strada percorribile per l’approvvigionamento energetico tant’è vero che le ricerche sulla separazione spettrale utilizzata nei dispositivi fotovoltaici stanno proseguendo anche al MIT Massachusetts Institute of Technology di Boston negli Stati Uniti e al Masdar Institute of Science and Technology di Abu Dhabi negli Emirati Arabi Uniti, centri di eccellenza per lo sviluppo dell’innovazione tecnologica, per fare solo due esempi. 

La possibilità di sfruttare fonti energetiche rinnovabili come la radiazione solare, che fornisce annualmente un’energia circa 10.000 volte superiore al fabbisogno energetico mondiale, costituisce uno dei principali obiettivi dei nostri tempi.

Diventa quindi di estrema importanza la ricerca in questo settore. È necessario trovare soluzioni innovative per l’approvvigionamento energetico e per garantire uno sviluppo sostenibile anche alla luce delle problematiche climatiche mondiali. L’Italia, anche in considerazione della sua collocazione geografica, potrebbe giocare un ruolo privilegiato in questa sfida globale. Solamente la sperimentazione assidua in questo campo potrà indicare quale sarà la strada più promettente per un utilizzo più efficiente dell’energia solare.

Silvia Calabrese