ITMI20092101A1 - Un dispositivo concentratore della radiazione luminosa solare - Google Patents

Description

“UN DISPOSITIVO CONCENTRATORE DELLA RADIAZIONE LUMINOSA SOLAREâ€

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce al campo degli apparati di conversione fotovoltaica della radiazione luminosa solare.

Più in particolare, la presente invenzione si riferisce ad un dispositivo concentratore della radiazione luminosa solare, basato sull’utilizzo di materiale fotoluminescente.

E’ ampiamente noto come i combustibili fossili o nucleari rappresentino fonti energetiche con notevoli inconvenienti in termini di sostenibilità ambientale e/o approvvigionamento.

Per tale motivo, lo sfruttamento di fonti energetiche pulite e rinnovabili à ̈ considerato da molti come l’unica possibile soluzione per uno sviluppo sostenibile nel lungo termine.

Gli impianti di conversione fotovoltaica, basati sull’utilizzo di celle fotovoltaiche in materiale semiconduttore, in grado di convertire la radiazione luminosa solare in energia elettrica, possono contribuire a ridurre l’uso di combustibili tradizionali per produrre energia elettrica. Un notevole inconveniente degli impianti di conversione fotovoltaica della radiazione luminosa solare consiste negli elevati costi dell’energia elettrica così ottenibile.

E’ dimostrato come tali elevati costi siano, per lo più, imputabili ai costi di realizzazione industriale delle celle fotovoltaiche, le quali richiedono rilevanti quantità di materiale semiconduttore e complicati procedimenti di trattamento del materiale semiconduttore stesso. Per tale motivo, nel corso degli anni, si à ̈ costantemente sentita l’esigenza di sviluppare soluzioni tecnologiche che consentano di ridurre il costo di capacità istallata (€/W) degli impianti di conversione fotovoltaica.

In particolare, si à ̈ cercato di utilizzare in modo più efficiente le celle fotovoltaiche, al fine di diminuire la quantità di materiale semiconduttore attivo da utilizzarsi a parità di potenza elettrica generata.

Sono stati così introdotti nuovi procedimenti produttivi per realizzare celle fotovoltaiche in grado di meglio sfruttare lo spettro solare per la conversione fotovoltaica.

Un noto esempio, in tal senso, à ̈ offerto dalle celle fotovoltaiche realizzate con materiali semiconduttori a gap energetico intermedio, cioà ̈ maggiore rispetto al silicio (Si) ma inferiore rispetto al livello energetico corrispondente alla lunghezza d’onda della radiazione luminosa solare da convertire.

Sono state anche proposte soluzioni tecnologiche mirate ad aumentare la densità della radiazione luminosa solare, in corrispondenza dell’area di assorbimento delle celle fotovoltaiche.

In questo ambito, un approccio tradizionalmente seguito à ̈ stato quello di predisporre apparati concentratori di tipo ottico, ad esempio specchi parabolici, atti a focalizzare la radiazione luminosa solare in corrispondenza della superficie delle celle fotovoltaiche.

Tali apparati richiedono però di inseguire il movimento del sole e generalmente si caratterizzano per costi d’installazione relativamente elevati.

Un approccio alternativo à ̈ stato quello di utilizzare dispositivi concentratori della radiazione luminosa solare, basati sull’utilizzo di materiali fotoluminescenti.

Tali dispositivi, noti anche come dispositivi LSC (“Luminescent Solar Concentrators†), sono generalmente costituiti da una struttura comprendente materiale fotoluminescente atto ad assorbire la radiazione luminosa solare ed ad emettere una radiazione luminosa di diversa lunghezza d’onda.

La radiazione luminosa, così emessa, rimane, per la maggior parte, intrappolata nel materiale fotoluminescente, per riflessione totale con le superfici esterne dello stesso, e mediante successive riflessioni interne, può essere guidata verso una superficie di trasmissione, otticamente associata alle celle fotovoltaiche.

I materiali fotoluminescenti, utilizzati nei dispositivi LSC, comprendono, ad esempio, materiali comprendenti coloranti organici dispersi in matrici polimeriche oppure materiali semiconduttori opportunamente drogati, come, ad esempio, Si drogato con composti quali CdSe o ZnSe.

I dispositivi LSC, appena menzionati, presentano indubbi vantaggi.

La radiazione luminosa emessa dal materiale fotoluminescente presenta vantaggiosamente una lunghezza d’onda maggiore e, pertanto, livelli energetici inferiori rispetto a quella della radiazione luminosa solare.

Tali livelli energetici si avvicinano maggiormente al bordo banda del materiale semiconduttore utilizzato nelle celle fotovoltaiche, migliorandone l’efficienza di conversione fotovoltaica.

Nei dispositivi LSC, l’efficienza d’assorbimento della radiazione luminosa solare dipende debolmente dall’orientazione della radiazione luminosa solare incidente. Si può così evitare l’utilizzo di complessi sistemi d’inseguimento della posizione del sole.

I dispositivi LSC, inoltre, possono essere realizzati con procedimenti produttivi relativamente semplici da implementare a livello industriale.

Nei dispositivi LSC, a tutt’oggi disponibili, sussistono però ancora aspetti che richiedono di essere migliorati.

Un problema che si rileva frequentemente consiste nella non trascurabile dispersione della radiazione luminosa emessa dal materiale fotoluminescente.

Per limitare tale dispersione, Ã ̈ noto ricoprire le superfici del dispositivo LSC, non associate otticamente alle celle fotovoltaiche, con strati riflettenti la radiazione luminosa emessa dal materiale fotoluminescente.

In alternativa, Ã ̈ noto predisporre opportuni dispositivi ottici esternamente al dispositivo concentratore, in corrispondenza delle superfici libere.

Tali soluzioni comportano, però, un significativo aumento della complessità strutturale del dispositivo LSC e dei relativi costi di realizzazione industriale.

Un ulteriore problema dei dispositivi LSC noti à ̈ rappresentato dalla presenza, in modo significativo, di fenomeni di riassorbimento della radiazione luminosa emessa dal materiale fotoluminescente.

Ciò contribuisce a limitare, in modo considerevole, la densità di potenza della radiazione luminosa che perviene alle celle fotovoltaiche.

I dispositivi LSC di tipo noto, inoltre, presentano significative limitazioni per quanto riguarda la modulazione dell’estensione spettrale della radiazione luminosa emessa dal materiale fotoluminescente.

Ciò determina difficoltà nell’adattare tale contenuto spettrale alle caratteristiche intrinseche del materiale semiconduttore delle celle fotovoltaiche.

In base a quanto sopra, à ̈ quindi possibile affermare che permane, nello stato dell’arte, l’esigenza di sviluppare dispositivi concentratori della radiazione luminosa solare che consentano di aumentare la densità di potenza luminosa in ingresso alle celle fotovoltaiche, che consentano di migliorare l’efficienza di conversione fotovoltaica, che siano facilmente realizzabili a livello industriale e che siano economicamente competitivi per ciò che riguarda i costi d’installazione e d’esercizio competitivi.

Per rispondere a tale esigenza, la presente invenzione fornisce un dispositivo concentratore della radiazione luminosa solare, secondo la rivendicazione 1 e le relative rivendicazioni dipendenti, come proposte nel seguito.

Nella sua definizione più generale, il dispositivo concentratore, secondo la presente invenzione comprende:

- una superficie di ricezione atta a ricevere la radiazione luminosa solare; e

- un materiale fotoluminescente atto ad assorbire la radiazione luminosa solare ed ad emettere una radiazione luminosa avente contenuto spettrale diverso dalla radiazione luminosa solare assorbita, con guadagno ottico netto nullo o positivo.

- una superficie di trasmissione che trasmette la radiazione luminosa emessa dal materiale fotoluminescente, detta superficie di trasmissione essendo otticamente accoppiabile con almeno una cella fotovoltaica.

Secondo l’invenzione, il dispositivo concentratore comprende mezzi di filtraggio spettrale e spaziale che selezionano il contenuto spettrale della radiazione luminosa emessa dal materiale fotoluminescente e che inducono la radiazione luminosa, emessa dal materiale fotoluminescente, a propagarsi secondo una direzione principale predefinita, preferibilmente verso la suddetta superficie di trasmissione del dispositivo concentratore.

La presenza di centri fotoluminescenti in grado di emettere/assorbire radiazione luminosa con guadagno ottico positivo o nullo assicura un’elevata densità di potenza per la radiazione luminosa emessa dal materiale fotoluminescente, la quale presenta, grazie all’azione dei mezzi di filtraggio, un elevato grado di confinamento spaziale e spettrale.

La radiazione luminosa, emessa dal materiale fotoluminescente, può così essere facilmente diretta verso le celle fotovoltaiche, con conseguente riduzione della dispersione attraverso le superfici del dispositivo concentratore.

Il suo contenuto spettrale, inoltre, può essere selezionato con risoluzione elevata al fine di ridurre considerevolmente i fenomeni di riassorbimento nel materiale fotoluminescente e, contestualmente, di adattarlo al meglio alle caratteristiche intrinseche del materiale semiconduttore costituente le celle fotovoltaiche.

E’ così possibile ottimizzare la raccolta di fotoni da parte del materiale semiconduttore nelle celle fotovoltaiche, riducendo, nel contempo, l’insorgenza di fenomeni di riscaldamento. Il dispositivo concentratore, secondo la presente invenzione, consente di ottenere elevati fattori di concentrazione della radiazione luminosa solare, riducendo considerevolmente la quantità di materiale semiconduttore attivo necessario per realizzare la conversione fotovoltaica, a parità di potenza elettrica generata.

Naturali ambiti d’applicazione per il dispositivo concentratore, secondo la presente invenzione, sono costituiti da apparati di conversione fotovoltaica per impianti di produzione di energia elettrica o per impianti di illuminazione.

Il dispositivo concentratore, secondo la presente invenzione, potrebbe però essere utilizzato in apparati di conversione fotovoltaica, opportunamente predisposti per essere integrati in strutture costruttive per edifici che presentano superfici esposte alla radiazione luminosa solare, come ad esempio finestre o pannelli di rivestimento.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del dispositivo concentratore, secondo l’invenzione, potranno essere meglio percepiti facendo riferimento alla descrizione data di seguito ed alle allegate figure, fornite a scopo puramente illustrativo e non limitativo, in cui:

- la figura 1 illustra uno schema di principio del dispositivo concentratore, secondo la presente invenzione; e

- le figure 2A-2B illustrano schematicamente alcuni semplificati modelli energetici relativi a possibili processi di assorbimento/emissione di radiazione luminosa nel dispositivo concentratore, secondo la presente invenzione; e

- la figura 3 illustra schematicamente l’estensione spettrale della radiazione luminosa assorbita ed emessa dal materiale fotoluminescente nel dispositivo concentratore, secondo la presente invenzione; e

- le figure 4-13 illustrano schematicamente alcune forme realizzativa del dispositivo concentratore, secondo la presente invenzione; e

- la figura 14 illustra schematicamente una esempio realizzativo del dispositivo concentratore, secondo la presente invenzione; e

- la figura 15 illustra schematicamente un modello energetico semplificato per l’esempio realizzativo di figura 15.

Descrizione dell’invenzione

Con riferimento alle citate figure, la presente invenzione si riferisce ad un dispositivo concentratore 1 per apparati di conversione fotovoltaica.

Il dispositivo concentratore 1 comprende un corpo principale 100 provvisto di una superficie 11 di ricezione della radiazione luminosa solare L1 e di una superficie 12 di trasmissione di una radiazione luminosa L2, avente contenuto spettrale diverso dalla radiazione luminosa solare L1.

La superficie di trasmissione L2 à ̈ otticamente accoppiabile con una o più celle fotovoltaiche 2.

Il dispositivo concentratore 1 comprende un materiale fotoluminescente atto ad assorbire la radiazione luminosa solare L1 ed ad emettere la radiazione luminosa L2, con guadagno ottico netto ghnullo o positivo.

Per ragioni di chiarezza espositiva, à ̈ opportuno specificare che, nel contesto della presente invenzione, il termine “fotoluminescenza†si riferisce alla capacità di un materiale di assorbire una radiazione luminosa e di emettere una radiazione elettromagnetica, il termine “radiazione luminosa†si riferisce ad una radiazione elettromagnetica con lunghezza d’onda compresa tra 100 nm e 2000 nm ed il termine “materiale fotoluminescente†si riferisce ad atomi, molecole, ioni, semiconduttori, polimeri o co-polimeri che sono capaci di fotoluminescenza.

Si ritiene inoltre opportuno specificare che con il termine “guadagno ottico netto gh†, s’intende il guadagno ottico complessivo offerto dal materiale fotoluminescente 13, al netto di fenomeni di dispersione, diffusione o simili o perdite di altra natura.

E’ infine opportuno specificare che l’affermazione “il materiale fotoluminescente assorbe radiazione luminosa solare L1 ed emette radiazione luminosa L2, con guadagno ottico netto ghnullo o positivo†significa che il materiale fotoluminescente 13 si comporta dal punto di vista ottico, rispettivamente come un materiale trasparente od oltre la trasparenza.

In altre parole, s’intende che il materiale fotoluminescente 13 emette, nell’unita di tempo, un numero di fotoni rispettivamente uguale o maggiore al numero di fotoni assorbiti, al netto di fenomeni di dispersione, diffusione o simili o perdite di altra natura.

Preferibilmente, il materiale fotoluminescente 13 Ã ̈ portato in una condizione di inversione della popolazione dalla radiazione luminosa solare L1 assorbita.

In tale condizione, la popolazione degli atomi nello stato eccitato nel materiale fotoluminescente 13 supera la popolazione di atomi nello stato non eccitato ed il guadagno ottico netto sarà certamente positivo.

Il processo di assorbimento/emissione di radiazione luminosa da parte del materiale fotoluminescente 13 può essere basato su tre livelli energetici principali.

In tal caso, considerando, per evidenti ragioni di chiarezza descrittiva, il modello energetico semplificato di figura 2, il processo di assorbimento/emissione di radiazione luminosa si svolge sostanzialmente come descritto nel seguito.

Nel materiale fotoluminescente 13, sono individuabili tre livelli energetici principali I1, I2e I3, con popolazioni N1, N2and N3e con energie E1< E2< E3, rispettivamente.

Inizialmente, in condizioni di equilibrio termico, la maggior parte degli atomi del materiale fotoluminescente 13 si trova nello stato fondamentale I1(N2≈ N3≈ 0).

L’assorbimento della radiazione luminosa solare L1, da parte del materiale fotoluminescente 13, eccita gli atomi dallo stato fondamentale I1al livello eccitato superiore I3(pompaggio ottico, N3> 0).

Successivamente, con una prima transizione non radiativa, gli atomi si portano nel livello eccitato metastabile I2(N2>0).

Gli atomi che popolano il livello I2possono decadere spontaneamente allo stato fondamentale I1, rilasciando fotoni di frequenza Î1⁄221=(E2-E1)/h, dove h à ̈ la costante di Planck (emissione spontanea di radiazione luminosa L2).

Generalmente, essendo il livello I2metastabile, il tempo medio della transizione I2-I1Ã ̈ maggiore del tempo medio della transizione non radiativa I3-I2.

Mediamente, pertanto, il livello I3risulta costantemente svuotato (N3 ≈ 0) mentre la popolazione dello stato intermedio I2eccitato va aumentando (N2>0), fino a raggiungere una condizione di inversione della popolazione, rispetto al livello fondamentale I1(N2>N1).

In tali condizioni, gli atomi nello stato intermedio I2eccitato possono, con elevata probabilità, essere perturbati dal passaggio di fotoni con frequenza Î1⁄221, corrispondente ad un livello energetico analogo a quello del gap energetico E2-E1.

In seguito a tale perturbazione, gli atomi eccitati possono collassare allo stato fondamentale I1inducendo la produzione di ulteriori fotoni, anch’essi di frequenza Î1⁄221(emissione stimolata di radiazione luminosa L2).

I fotoni con frequenza Î1⁄221, che perturbano gli atomi nello stato eccitato I2, possono essere generati per emissione spontanea oppure, a loro volta, per emissione stimolata.

Il processo di assorbimento/emissione di radiazione luminosa da parte del materiale fotoluminescente 13 può anche essere basato anche su quattro livelli energetici principali, in funzione del tipo di sostanze componenti il materiale fotoluminescente 13.

In tal caso, considerando, per evidenti ragioni di chiarezza e semplicità descrittiva, il modello energetico semplificato di figura 3, il processo di assorbimento/emissione di radiazione luminosa si svolge sostanzialmente come descritto nel seguito.

Nel materiale fotoluminescente 13, sono individuabili quattro livelli energetici principali I1, I2, I3e I4, con popolazioni N1, N2, N3, and N4, rispettivamente e con energie E1< E2< E3< E4, rispettivamente.

Inizialmente, in condizioni di equilibrio termico, la maggior parte degli atomi del materiale fotoluminescente 13 si trova, con grande probabilità, nello stato fondamentale I1(N2≈ N3≈ N4≈ 0).

L’assorbimento della radiazione luminosa solare L1, da parte del materiale fotoluminescente 13, eccita gli atomi dallo stato fondamentale I1al livello eccitato superiore I4(pompaggio ottico, N4> 0).

Con una prima transizione non radiativa I4-I3, gli atomi si portano nel livello intermedio superiore I3che risulta metastabile.

Dallo stato eccitato superiore I3, gli atomi possono eseguire una transazione radiativa verso lo stato eccitato inferiore I2ed un’ulteriore transizione non radiativa dal livello eccitato inferiore I2al livello fondamentale I1.

Dato che la successiva transizione non radiativa I2-I1avviene tipicamente in modo estremamente rapido, la presenza di atomi eccitati al livello energetico I3comporta automaticamente un’inversione di popolazione rispetto al livello energetico inferiore I2. La transizione I3-I2degli atomi eccitati, e la relativa emissione di fotoni, può quindi avvenire sia spontaneamente che in modo stimolato (emissione spontanea e stimolata di radiazione luminosa L2).

Come evidenziato in seguito, il processo di assorbimento/emissione di radiazione luminosa, basato su quattro livelli energetici principali, potrebbe anche coinvolgere meccanismi di trasferimento energetico tra atomi o gruppi di atomi delle sostanze componenti il materiale fotoluminescente 13.

Si può notare come i processi di assorbimento/emissione di radiazione luminosa, sopra descritti, presentino dinamiche simili a quella dei processi di emissione laser.

Diversamente da quest’ultimi, però, il processo di assorbimento/emissione di radiazione luminosa nel materiale fotoluminescente 13 può comprendere meccanismi di emissione spontanea amplificata e/o di emissione stimolata una radiazione luminosa L2 coerente e con banda stretta, senza che sia necessario superare una soglia di inversione di popolazione o disporre di una cavità risonante.

Il processo di assorbimento/emissione di radiazione luminosa può anche essere di tipo superradiante, soprattutto in presenza di una forte illuminazione di luce solare L1.

Anche questo tipo di processo di assorbimento/emissione di radiazione luminosa presenta caratteristiche simili ad un processo di emissione laser (coerenza, banda stretta), salvo che per l’assenza di soglia o di cavità risonante.

Secondo l’invenzione, il dispositivo concentratore 1 comprende anche mezzi di filtraggio spettrale e spaziale 14.

I mezzi di filtraggio 14 sono atti a selezionare il contenuto spettrale della radiazione luminosa L2, eseguendo un filtraggio a banda stretta della radiazione luminosa L2, emessa dal materiale fotoluminescente 13, ad esempio mediante assorbimento delle componenti spettrali indesiderate.

Per la radiazione luminosa L2, essi possono così imporre una certa banda d’emissione ed una relativa lunghezza d’onda di picco no.

Un primo vantaggio derivante dall’utilizzo dei mezzi di filtraggio 14 consiste nel fatto che il contenuto spettrale della radiazione luminosa L2 può essere modulato in modo da ridurre l’insorgenza di fenomeni di riassorbimento nel materiale fotoluminescente 13, come evidenziato in figura 3.

In figura 3, le curve C1 e C2 rappresentano schematicamente rispettivamente lo spettro di assorbimento e di emissione del materiale fotoluminescente 13 mentre la curva C3 rappresenta il contenuto spettrale della radiazione luminosa L2.

Risulta evidente come il contenuto spettrale della radiazione luminosa L2 possa essere selezionato in modo da ridurre o evitare la regione di sovrapposizione S con lo spettro d’assorbimento del materiale fotoluminescente 13.

La lunghezza d’onda di picco no della radiazione luminosa L2 può essere regolata in modo che la differenza tra il corrispondente livello energetico ed il livello di bordo banda del materiale semiconduttore delle celle fotovoltaiche 2 sia superiore ad una certa soglia Eth.

Il valore di tale soglia Ethpuò essere selezionato come valore di compromesso tra l’esigenza di ottimizzare la raccolta di fotoni e l’esigenza di contenere l’insorgenza di eventuali fenomeni di riscaldamento, a causa di scambi energetici non radiativi.

Secondo l’invenzione, i mezzi di filtraggio 14 inducono la radiazione luminosa L2 a propagarsi secondo una direzione principale Z.

La radiazione luminosa L2, filtrata dai mezzi di filtraggio 14, può infatti fornire il seme e la lunghezza d’onda per l’emissione stimolata di radiazione luminosa L2 da parte del materiale fotoluminescente 13.

La radiazione luminosa L2, generata per emissione stimolata, à ̈ certamente coerente con la radiazione luminosa stimolante e ne replicherà direzione e verso del seme di radiazione.

A sua volta, tale radiazione può fornire il seme e la lunghezza d’onda per una nuova emissione stimolata di radiazione luminosa L2 da parte del materiale fotoluminescente 13. In sostanza, i mezzi di filtraggio 14 inducono l’insorgere di una reazione positiva, nel processo assorbimento/emissione di radiazione luminosa da parte del materiale fotoluminescente 13, il cui effetto finale à ̈ quello di ottenere che la radiazione luminosa L2, emessa dal materiale fotoluminescente 13, sia convogliata secondo una direzione di propagazione principale predefinita che coincide sostanzialmente la direzione di riflessione imposta dai mezzi di filtraggio 14.

Si noti come tale fenomeno di reazione positiva diventi rapidamente dominante grazie al fatto che il processo di assorbimento/emissione nel materiale fotoluminescente 13 avviene con guadagno ottico netto ghnullo o positivo.

Predisponendo opportunamente i mezzi di filtraggio 14, à ̈ possibile convogliare la radiazione luminosa L2 in direzione della superficie di trasmissione 12, riducendo così le perdite per dispersione.

E’ pertanto possibile aumentare considerevolmente l’intensità luminosa in corrispondenza delle celle fotovoltaiche 2, senza ricorrere all’utilizzo di dispositivi ottici di riflessione operativamente associati alle superfici libere del dispositivo concentratore 1.

Nel seguito, si propone una valutazione quantitativa dell’effetto di confinamento spettrale e spaziale indotto dai mezzi di filtraggio 14.

Per ragioni di semplicità descrittiva, si utilizza un modello sostanzialmente unidimensionale del dispositivo concentratore 1 (figura 1) in cui:

- la propagazione della radiazione luminosa L2 nel dispositivo concentratore 1 avviene secondo la direzione principale di propagazione Z;

- i mezzi di filtraggio 14 sono posizionati in corrispondenza di una prima superficie 15 del corpo 100 del dispositivo concentratore 1, la quale si trova in posizione opposta rispetto alla superficie di trasmissione 12, prendendo come riferimento la direzione principale Z di propagazione della radiazione luminosa L2;

- i mezzi di filtraggio 14 presentano una larghezza di banda Dnhcon lunghezza d’onda di piccon0.

Lo spettro d’emissione della radiazione luminosa L2 può essere definito come:

n - n

f ( n) =2<0>

D n h

L’intensità totale d’emissione lungo l’asse Z di propagazione, integrata su tutto lo spettro di frequenze, può essere espressa dalla seguente relazione:

¥

Itot(z) = ò- ¥I(f ,z ) df

L’intensità di emissione spontanea per singola polarizzazione può essere espressa dalla seguente relazione:

pD n

Isp= h n<h>r

2 A

dove A corrisponde all’area della cella fotovoltaica 2 ed r à ̈ il rapporto tra l’angolo sotteso dalle cella fotovoltaiche 2 e l’angolo solido di emissione.

L’intensità luminosa, in corrispondenza delle celle fotovoltaiche 2, può così essere espressa come:

Itot = I<2>g<h>l

spe (1)

dove l indica la lunghezza del dispositivo concentratore 1.

Se i mezzi di filtraggio 14 non fossero presenti, l’intensità luminosa, in corrispondenza delle celle fotovoltaiche 2, potrebbe essere espressa come:

Itot= Isp (e<g h l>-1)(2)

dove l indica la lunghezza del dispositivo concentratore 1.

Si può notare come la differenza principale tra le espressioni (1) e (2) consista sostanzialmente nella presenza di un fattore 2 all’esponente dell’espressione (1).

Tale fattore tiene conto del fatto che la massima intensità luminosa ottenibile, nel caso di presenza dei mezzi di filtraggio 14, origina dall’amplificazione della radiazione L2 emessa spontaneamente in prossimità della superficie di trasmissione 12, la quale percorre inizialmente tutta la lunghezza del dispositivo concentratore 1 fino a giungere ai mezzi di filtraggio 14 ed à ̈ poi da questi forzata a ritornare verso la superficie di trasmissione 12.

Evidentemente, ciò non può accadere senza l’ausilio dei mezzi di filtraggio 14, in assenza dei quali la radiazione luminosa L2, emessa spontaneamente, sarebbe naturalmente dispersa in tutte le direzioni.

La larghezza di banda della radiazione luminosa L2 può essere espressa come segue:

é æ I ö ù

êlnç tot 1÷

ê ç ú

I sp ÷

à ̧ ú

Dn( l )= D n à ̈

hê - 1ú

ê æ I ö

lnç tot 1÷ ú

ê ç

ë à ̈ 2 I sp ÷

à ̧ ú

û

Essa dipende pertanto dal valore di Itotche, come visto sopra, assume valori diversi a seconda che siano presenti o meno i mezzi di filtraggio 14.

Risulta evidente come, per valori finiti di lunghezza del dispositivo concentratore 1, la larghezza di banda della radiazione luminosa L2 risulti influenzata dalla presenza dei mezzi di filtraggio 14, anche se quest’ultimi sono posizionati in corrispondenza di una delle superfici del dispositivo concentratore 1.

Si evidenzia inoltre come i mezzi di filtraggio 14 consentano di ottenere una radiazione luminosa L2 che produce un'illuminazione uniforme delle celle fotovoltaiche 2.

Tale peculiarità rappresenta un notevole vantaggio rispetto ad un sistema di emissione laser, utilizzando il quale non sarebbe possibile ottenere un’illuminazione uniforme a causa di effetti di oscillazione simultanea sui modi trasversi della radiazione luminosa riflessa nelle cavità risonante.

Descrizione di alcune forme realizzative dell’invenzione

Secondo una forma realizzativa della presente invenzione, il materiale fotoluminescente 13 potrebbe comprendere una matrice in silice che comprende granuli di Si nano-cristallino (Sinc).

Si à ̈ verificato che la presenza di granuli di Si-nc permette di ottenere uno spettro d’assorbimento più esteso di quello del Si.

Si à ̈ inoltre verificato che inoltre possibile ottenere una sezione d’urto per emissione spontanea relativamente grande, con conseguente possibilità di un guadagno ottico positivo, in caso di forte pompaggio ottico con radiazione luminosa solare.

Tale guadagno ottico positivo si concretizza per una lunghezza d’onda della radiazione luminosa L2 che si aggira intorno ai 900 nm.

Questi valori di lunghezza d’onda per la radiazione luminosa L2 risultano particolarmente adatti per celle fotovoltaiche in Si cristallino o amorfo.

Per tali valori, infatti, si può ancora realizzare un’efficiente raccolta di fotoni da parte della cella fotovoltaica.

Peraltro, i livelli energetici dei fotoni emessi a tali lunghezze d’onda sono sufficientemente vicini al bordo banda, cosicché si può limitare l’insorgenza di fenomeni di surriscaldamento nelle celle fotovoltaiche.

Secondo un’altra forma realizzativa della presente invenzione, il materiale fotoluminescente 13 potrebbe comprendere una matrice in silice, drogata con ioni Nd<3+>e comprendente granuli di Si-nc.

La prossimità spaziale di ioni Nd<3+>e nano-particelle di Si favorisce l’instaurarsi di meccanismi di trasferimento energetico non risonante dalla nano-particella di Si allo ione Nd<3+>.

Ciò permette alla combinazione di ioni Nd<3+>e nano-particelle di Si di costituire un sistema di assorbimento/emissione di radiazione luminosa molto efficiente, con caratteristiche spettrali proprie degli ioni Nd<3+>.

La radiazione luminosa L2 così emessa presenta lunghezze d’onda variabili tra 920 e 1060 nm, i cui corrispondenti livelli energetici sono adatti per assicurare un’ottimale conversione fotovoltaica da parte di celle fotovoltaiche in Si cristallino o amorfo.

Si à ̈ verificato che, modulando la dimensione dei granuli di Si-nc, à ̈ possibile ridurre considerevolmente i fenomeni di riassorbimento della radiazione luminosa nel materiale fotoluminescente 13, particolarmente in condizioni di inversione di popolazione.

Il materiale fotoluminescente 13 potrebbe comprendere altri materiali inorganici come, ad esempio, una matrice in silice, drogata con terre rare diverse dal Nd ed eventualmente comprendente particelle di Si-nc.

In alternativa, il materiale fotoluminescente 13 potrebbe comprendere composti organici, quali, ad esempio, una matrice in polistirene comprendente un agente colorante organico noto come DJCTB, drogato con Alq3.

La miscela Alq3:DCJTB:PS si comporta in modo analogo al sistema di assorbimento/emissione di radiazione luminosa costituito da una matrice vetrosa, drogata con Nd3+ e comprendente Si nano-cristallino.

Il dispositivo concentratore 1 può essere strutturato, secondo le esigenze di installazione dell’apparato di conversione fotovoltaica nel quale deve essere predisposto.

Secondo alcune forme realizzative (figure 1 e 14), il corpo 100 del dispositivo concentratore 1 può presentarsi con una struttura sostanzialmente lastriforme, ad esempio comprendente un film sottile di materiale fotoluminescente 13 compreso tra strati passivi 131 di materiale otticamente trasparente, come SiO2.

Il corpo 100 del dispositivo concentratore 1 potrebbe però essere strutturato sostanzialmente come una struttura a stack 132, ad esempio comprendente strati intervallati e sovrapposti tra loro di matrice vetrosa, drogata con ioni Nd<3+>e comprendente Si-nc, e di materiale trasparente, come SiO2, (figure 10-11).

In un’ulteriore alternativa, il corpo 100 potrebbe essere semplicemente costituito da uno o più strati di materiale fotoluminescente 13 (figura 9).

Nelle forme realizzative delle figure 1, 11 e 14, la superficie di riflessione 12 si trova in posizione laterale rispetto alla superficie 11 di ricezione della radiazione luminosa solare. Tale configurazione risulta vantaggiosa perché consente di contenere le dimensioni della superficie delle celle fotovoltaiche 2 anche in presenza di un’estesa superficie di ricezione 11. Nelle forme realizzative delle figure 9-10, invece, la superficie di riflessione 12 si trova in posizione opposta rispetto alla superficie di ricezione 11, prendendo come riferimento la direzione principale di propagazione della radiazione luminosa L2.

Tale configurazione presenta il vantaggio di assicurare un percorso più lungo della radiazione luminosa L2, attraverso il materiale fotoluminescente 13 e quindi di migliorare l’effetto di concentrazione spaziale e spettrale, indotto dai mezzi di filtraggio 14.

Come illustrato in figura 4, i mezzi di filtraggio possono comprendere un reticolo di Bragg 141, distribuito secondo la direzione principale di propagazione della radiazione luminosa L2. In alternativa, i mezzi di filtraggio potrebbero essere posizionati in corrispondenza o prossimità della prima superficie 15, opposta alla superficie di trasmissione 12.

In questo caso, i mezzi di filtraggio possono comprendere un reticolo di Bragg 142, di lunghezza ridotta (figura 5), un riflettore selettivo a banda stretta 143, preferibilmente esterno alla superficie 15, (figura 6), un diffusore selettivo a banda stretta 144 (figura 7) oppure un riflettore 145, preferibilmente esterno alla superficie 15, operativamente associato ad un filtro a banda stretta 146 (figura 8).

Il termine “riflettore†o “diffusore†, indica, in questo contesto, un elemento discreto od uno strato di materiale che rispettivamente riflette o diffonde nello spazio la radiazione luminosa incidente.

Il termine “riflettore selettivo†o “diffusore selettivo†, indica, in questo contesto, un elemento discreto od uno strato di materiale che rispettivamente riflette o diffonde nello spazio solo certe lunghezze d’onda della radiazione luminosa incidente.

Nelle forme realizzative descritte nelle figure 9-10, i mezzi di filtraggio sono vantaggiosamente posizionati in corrispondenza o prossimità della superficie 11 di ricezione della radiazione luminosa solare e possono comprendere vantaggiosamente un riflettore a banda stretta 147.

Nella forma realizzativa illustrata in figura 11, invece, i mezzi di filtraggio sono predisposti in corrispondenza di più superfici del dispositivo concentratore 1, ad esempio in corrispondenza della superficie di ricezione 11 e di una seconda superficie 16 ad essa opposta, e vantaggiosamente comprendere i riflettori a banda stretta 148-149, posizionati in corrispondenza delle superfici 11 e 16.

La radiazione luminosa L2 può così essere riflessa più volte tra le superfici 11 e 16 prima di giungere alla superficie di trasmissione 12.

Per aumentare la densità della radiazione luminosa solare L1, incidente sulla superficie di ricezione 11, il dispositivo concentratore 1 può essere operativamente associato a dispositivi ottici di rimando della radiazione luminosa solare, quali ad esempio una lente 51 (figura 13) o uno specchio focalizzante 52 (figura 12).

Discussione di un esempio realizzativo dell’invenzione

Si descrive l’esempio realizzativo del dispositivo concentratore 1A, illustrato in figura 14. Il dispositivo concentratore 1A presenta un corpo principale 100A che comprende un film sottile di materiale fotoluminescente 13A, compreso tra due strati di supporto 131A, in silice. Il corpo principale 100A presenta una lunghezza di 20 cm (asse Z), larghezza di 10 cm e spessore di 100mm.

Lo strato di materiale fotoluminescente 13A presenta uno spessore di 100mm, ed costituito da una matrice vetrosa, drogata con ioni Nd<3+>, con concentrazione tra 0.12 e 1.9 at.% (percentuale atomica), e comprendente granuli di Si-nc del diametro di 1.2 nm.

Il dispositivo concentratore 1 comprende una superficie 11A di ricezione della radiazione luminosa solare L1 ed una superficie di trasmissione 12A della radiazione luminosa L2, emessa dal materiale fotoluminescente 13A.

La superficie di trasmissione L2 à ̈ otticamente accoppiabile con almeno una cella fotovoltaica I mezzi di filtraggio del dispositivo concentratore 1A sono costituti da un riflettore a banda stretta 143A, con lunghezza d’onda di picco centrata nella banda compresa tra 900-1100 nm. Il riflettore 143A à ̈ costituito da un multistrato dielettrico, posizionato in corrispondenza della superficie 15A, opposta alla superficie di trasmissione 12A della radiazione luminosa L2. In figura 15, à ̈ illustrato un modello energetico semplificato dello strato di materiale fotoluminescente 13A.

Il livello A indica il livello energetico fondamentale del Si-nc, il livello energetico B indica il livello di eccitazione del Si-nc mentre il bordo della banda di conduzione del Si-nc à ̈ indicato come livello energetico C.

Il tempo di decadimento intrabanda (cioà ̈ tra i livelli B e C) à ̈ stato valutato come trascurabile essendo estremamente breve mentre il tempo di decadimento radiativo tra i livelli C ed A à ̈ stato valutato nell’ordine dell’ordine di tR= 1msec.

Tale tempo di decadimento radiativo risulta, a temperatura ambiente, confrontabile con il tempo di decadimento non radiativo tra C ed A (tNR).

Irradiando la superficie di ricezione 11 con luce solare avente lunghezza d’onda di 476 nm a T = 300°C, si determina l’eccitazione del Si-nc.

Una percentuale molto elevata dell’eccitazione (quasi il 100%), viene trasferita agli ioni Nd<3+>mediante meccanismi di trasferimento energetico non risonante tra la banda BC ed il livello

<4>F9/2con un tempo di trasferimento di tET~150 ns.

La frazione di energia trasferita da Si-nc allo ione Nd<3+>dipende dalla concentrazione di ioni ed à ̈ massima per una concentrazione di ioni Nd<3+>pari a 0.4310<18>cm<-3>.

I successivi decadimenti attraverso i livelli dello ione Nd<3+>non influenzano ulteriormente l’efficienza di conversione tra Si-nc e ione Nd<3+>.

Il decadimento tra il livello<4>F9/2ed il livello metastabile<4>F3/2risulta molto veloce, mentre il decadimento complessivo da<4>F3/2al livello fondamentale<4>I9/2Ã ̈ stato valutato tra t1,2= 5ms e 30 ms, in funzione della concentrazione di ioni Nd<3+>.

Il picco di fotoluminescenza del sistema Si-nc/Nd<3+>à ̈ stato valutato per una lunghezza d’onda di 920 nm.

Da ciò si deduce che, nell’esempio considerato, si può ottenere una buona conversione della radiazione luminosa solare L1 in radiazione infrarossa nel range di lunghezze d’onda tra 900 e 1100 nm.

L’utilizzo del riflettore 143A, centrato in questo intervallo di lunghezze d’onda o in un sottointervallo, permette di favorire la concentrazione spettrale e spaziale della radiazione luminosa L2 da trasmettere alla cella fotovoltaica 2.

Nell’esempio considerato, la perdita di propagazione della radiazione luminosa L2, a causa di fenomeni scattering, à ̈ stata valutata compresa tra 0.5 dB/cm a 2 dB/cm.

Si à ̈ calcolato che il guadagno ottico ghassuma valori superiori a 50 cm<-1>per una lunghezza d’onda d’emissione di 900 nm.

L’intensità di saturazione di pompaggio (parametro necessario per determinare il livello d’inversione) à ̈ stata stimata nell’intervallo di 50 ÷ 300 W/cm<2>.

In base a quanto sopra, si à ̈ valutato come, per ottenere un’inversione di popolazione per un’illuminazione solare standard di 100 mW/cm<2>, sia consigliabile l’utilizzo di un solo strato di materiale fotoluminescente 13A dello spessore massimo di circa 10mm.

Viceversa, nel caso di focalizzazione della luce solare, utilizzando ad esempio dispositivi ottici con magnificazione pari a 10<4>in area, si possa raggiungere l’inversione di popolazione anche utilizzando più strati attivi 13A.

Il dispositivo concentratore, secondo l’invenzione, presenta notevoli vantaggi rispetto all’arte nota.

Grazie ai descritti mezzi di filtraggio, esso permette di trasmettere alle celle fotovoltaiche una radiazione luminosa con contenuto spettrale selezionabile in modo da ottimizzare l’efficienza di conversione fotovoltaica, riducendo al contempo l’insorgenza di fenomeni di riscaldamento nelle celle fotovoltaiche e l’insorgenza di fenomeni di riassorbimento nel materiale fotoluminescente.

Ciò consente di ridurre la superficie di conversione fotovoltaica a parità di potenza elettrica generata, con conseguente riduzione delle spese di installazione ed esercizio dell’apparato fotovoltaico.

Gli stessi mezzi di filtraggio, stimolando una propagazione anisotropa della radiazione luminosa, vantaggiosamente in direzione delle celle fotovoltaiche, contribuiscono a ridurre in modo notevole le perdite per dispersione.

Ciò consente di aumentare la densità di potenza della radiazione luminosa che raggiunge le celle fotovoltaiche, evitando o riducendo l’utilizzo di dispositivi ottici, operativamente associati alle superfici del dispositivo concentratore per confinare la radiazione luminosa all’interno del materiale fotoluminescente del dispositivo concentratore, con conseguente semplificazione della struttura dell’apparato fotovoltaico.

Come appare evidente dalla descrizione di cui sopra, il dispositivo concentratore, secondo l’invenzione, presenta una struttura estremamente semplice, facilmente adattabile alle esigenze d’installazione dell’apparato fotovoltaico.

Esso risulta facilmente realizzabile a livello industriale mediante procedimenti di tipo noto, con notevoli vantaggi in termini di contenimento dei costi industriali di produzione.

Sulla base della descrizione data, altre caratteristiche, modifiche o miglioramenti per l’invenzione così concepita sono possibili ed evidenti al tecnico medio.

Tali caratteristiche, modifiche e miglioramenti sono perciò da considerarsi parte della presente invenzione.

Claims (12)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un dispositivo concentratore (1, 1A) della radiazione luminosa solare caratterizzato dal fatto di comprendere: - una superficie di ricezione (11, 11A) atta a ricevere la radiazione luminosa solare (L1); e - un materiale fotoluminescente (13, 13A), atto ad assorbire la radiazione luminosa solare ed ad emettere una radiazione luminosa (L2) avente contenuto spettrale diverso dalla radiazione luminosa solare assorbita, con guadagno ottico netto (gh) positivo o nullo; e - una superficie di trasmissione (12, 12A) della radiazione luminosa (L2) emessa da detto materiale fotoluminescente, detta superficie di trasmissione essendo otticamente accoppiabile con almeno una cella fotovoltaica (2); e - mezzi di filtraggio spettrale e spaziale (14, 141, 142,143, 143A, 144, 15, 146, 147, 148, 149) atti a selezionare il contenuto spettrale della radiazione luminosa (L2) emessa da detto materiale fotoluminescente, detti mezzi di filtraggio inducendo la radiazione luminosa (L2), emessa da detto materiale fotoluminescente, a propagarsi secondo una direzione principale predefinita (Z).
2. 2. Un dispositivo concentratore della radiazione luminosa solare, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di filtraggio (14) sono posizionati in modo da indurre la radiazione luminosa (L2), emessa da detto materiale fotoluminescente, a propagarsi verso detta superficie di trasmissione (12).
3. 3. Un dispositivo concentratore della radiazione luminosa solare, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che l’assorbimento della radiazione luminosa solare (L1) porta detto materiale fotoluminescente (13) in una condizione di inversione di popolazione.
4. 4. Un dispositivo concentratore della radiazione luminosa solare, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta superficie di ricezione (11) à ̈ posizionata lateralmente rispetto a detta superficie di trasmissione (12), prendendo come riferimento la direzione principale (Z) di propagazione della radiazione luminosa (L2) emessa da detto materiale fotoluminescente.
5. 5. Un dispositivo concentratore della radiazione luminosa solare, secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzato dal fatto che detta superficie di ricezione (11) à ̈ posizionata in modo da risultare contrapposta a detta superficie di trasmissione (12), prendendo come riferimento la direzione principale (Z) di propagazione della radiazione luminosa (L2) emessa da detto materiale fotoluminescente.
6. 6. Un dispositivo concentratore della radiazione luminosa solare, secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di filtraggio comprendono un reticolo di Bragg (141), distribuito lungo la direzione principale (Z) di propagazione della radiazione luminosa (L2) emessa da detto materiale fotoluminescente.
7. 7. Un dispositivo concentratore della radiazione luminosa solare, secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che, in corrispondenza di una prima superficie (15), posizionata in modo da risultare contrapposta a detta superficie di trasmissione (12), prendendo come riferimento la direzione principale (Z) di propagazione della radiazione luminosa (L2), emessa da detto materiale fotoluminescente, detti mezzi di filtraggio comprendono: - un reticolo di Bragg (142); oppure - un elemento riflettore (143, 143A) a banda stretta; oppure - un elemento diffusore (144) a banda stretta; oppure - un elemento riflettore (145) operativamente associato ad un elemento di filtro (146) a banda stretta.
8. 8. Un dispositivo concentratore della radiazione luminosa solare, secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di filtraggio comprendono un elemento riflettore a banda stretta (147), in corrispondenza di detta superficie di ricezione (11).
9. 9. Un dispositivo concentratore della radiazione luminosa solare, secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di filtraggio comprendono un primo elemento riflettore a banda stretta (148), in corrispondenza di detta superficie di ricezione (11), ed un secondo elemento riflettore a banda stretta (149), in corrispondenza di una seconda superficie (16), posizionata in modo da risultare contrapposta a detta superficie di ricezione (11), prendendo come riferimento la direzione principale (Z) di propagazione della radiazione luminosa (L2) emessa da detto materiale fotoluminescente.
10. 10. Un dispositivo concentratore, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto materiale fotoluminescente (13) comprende: - silice drogata con ioni Nd<3+;>oppure - silice comprendente Si-nc; oppure - silice drogata con ioni Nd<3+>e comprendente Si-nc; oppure - polistirene comprendente un agente colorante DJCTB drogato con Alq3.
11. 11. Un apparato di conversione fotovoltaica caratterizzato dal fatto di comprendere almeno una cella fotovoltaica (2) ed un dispositivo concentratore della radiazione luminosa solare (1), secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, operativamente associato a detta almeno una cella fotovoltaica.
12. 12. Un impianto di produzione dell’energia elettrica o un impianto di illuminazione o una finestra o un pannello di rivestimento di un edificio caratterizzato dal fatto di comprendere un apparato di conversione fotovoltaica, secondo la rivendicazione 11.