ITRM20120427A1 - Dispositivo convertitore termoionico - Google Patents
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Description
DISPOSITIVO CONVERTITORE TERMOIONICO
La presente invenzione riguarda un dispositivo convertitore termoionico, ed eventualmente anche termoelettrico, che può essere vantaggiosamente integrato in sistemi a concentrazione solare (noti anche come sistemi CSP: Concentrating Solar Power), che consente in modo efficiente, affidabile, compatto, e facile da gestire, di convertire l’energia da radiazione elettromagnetica, in particolare energia solare concentrata, in potenza elettrica ed eventualmente termica.
La presente invenzione riguarda altresì il procedimento di fabbricazione del dispositivo convertitore.
Nel seguito della presente descrizione e nelle rivendicazioni vengono definiti dei materiali ceramici con la frase “materiale ceramico a base di†una sostanza; si deve intendere che tale frase include sia materiali ceramici comprendenti la sostanza che materiali ceramici costituiti soltanto dalla sostanza (a meno della usuale contaminazione chimica dei materiali che à ̈ tollerabile con le attuali tecnologie di fabbricazione), per cui in quest’ultimo caso la frase deve essere intesa come sinonimo di “sostanza†.
Sebbene nel seguito venga principalmente fatto riferimento ad una applicazione del dispositivo convertitore secondo l’invenzione per un sistema CSP, esso può essere applicato in qualsiasi altro settore tecnologico di conversione di energia da radiazione elettromagnetica in potenza elettrica ed eventualmente termica, rimanendo nell’ambito di protezione come definito dalle rivendicazioni allegate. A titolo esemplificativo, un altro settore di applicazione del dispositivo convertitore secondo l’invenzione potrebbe essere il settore aerospaziale, in cui in condizioni di bassa pressione o di vuoto quasi assoluto, come le condizioni al di fuori dell'atmosfera terreste, il convertitore à ̈ in grado di operare con elevata efficienza.
E’ noto che negli ultimi anni sono stati sviluppati alcuni dispositivi convertitori termoionici e termoelettrici per produrre energia elettrica a partire da radiazione solare, preferibilmente concentrata tramite sistemi CSP.
A titolo esemplificativo, Naito H. et al., in “Development of a Solar Receiver for a High-Efficiency Thermionic/Thermoelectric Conversion†, Solar Energy Vol. 58, No. 4-6, pp. 191-195, 1996 Elsevier Science Ltd., descrive un sistema di conversione che combina un dispositivo termoionico ed uno termoelettrico e che lavora ad elevatissima temperatura, maggiore di 1600 °C, in cui l'emettitore termoionico funziona per irraggiamento da corpo grigio. Diversamente, il documento US2011221328A1 descrive un dispositivo convertitore termoionico che lavora a temperature molto più basse.
Tuttavia, i dispositivi convertitori della tecnica anteriore soffrono di alcuni inconvenienti.
Innanzitutto, essi usualmente lavorano a temperature molto elevate. Ciò comporta la necessità di sistemi di concentrazione molto sofisticati per ottenere elevatissimi fattori di concentrazione della radiazione solare. Ciò comporta che i dispositivi convertitori ed i relativi sistemi di concentrazione siano piuttosto complessi, difficili da gestire, e richiedano una attenta installazione ed una frequente manutenzione.
Inoltre, i dispositivi convertitori della tecnica anteriore, soprattutto quelli che lavorano a basse temperature, non sono efficienti.
Lo scopo della presente invenzione à ̈, pertanto, quello di consentire, in modo efficiente, affidabile, compatto, e facile da gestire, di convertire l’energia solare concentrata in potenza elettrica e termica.
Forma oggetto specifico della presente invenzione un dispositivo convertitore per convertire energia da radiazione elettromagnetica, in particolare energia solare concentrata, in potenza elettrica, comprendente un emettitore termoionico separato per uno spazio inter-elettrodico da un collettore termoionico, l’emettitore termoionico ed il collettore termoionico essendo provvisti di mezzi di collegamento elettrico configurati per essere collegabili ad un primo carico elettrico esterno cui fornire potenza elettrica, il dispositivo convertitore essendo caratterizzato dal fatto di comprendere altresì un assorbitore di radiazione elettromagnetica, configurato per trasformare energia di radiazione elettromagneti ca in energia termica, avente una superficie esterna configurata per essere esposta a radiazione elettromagnetica ed una superficie interna solidalmente accoppiata all’emettitore termoionico, la superficie esterna essendo provvista di una struttura sub-micrometrica periodica superficiale, l’emettitore termoionico essendo monoliticamente integrato su detta superficie interna dell’assorbitore, l’assorbitore essendo realizzato in un materiale selezionato dal gruppo comprendente o consistente di:
- materiali ceramici selezionati dal gruppo comprendente o consistente di:
carburo di afnio (HfC),
carburo di afnio (HfC) avente una percentuale di volume di siliciuro di molibdeno (MoSi2) inferiore al 40%,
carburo di silicio (SiC),
carburo di silicio (SiC) contenente additivi in una percentuale di volume inferiore al 20%,
carburo di silicio (SiC) contenente additivi in una percentuale di volume inferiore al 20% e comprendente altresì siliciuro di molibdeno in una percentuale di volume variabile dal 20% al 40%, materiali ceramici a base di nitruro di alluminio (AlN) contenente additivi e contenente altresì una percentuale in volume di carburo di silicio variabile dal 5% al 25% ed una percentuale in volume di siliciuro di molibdeno variabile dal 20% al 40%,
carburo di tantalio (TaC),
materiale ceramico a base di carburo di tantalio (TaC),
- metalli refrattari selezionati dal gruppo comprendente o consistente di molibdeno e tungsteno,
- grafite pirolitica,
l’emettitore termoionico essendo realizzato in un materiale selezionato dal gruppo comprendente o consistente di:
- diamante in film sottile di spessore inferiore a 25 micrometri depositato mediante deposizione chimica da vapore (CVD - Chemical Vapour Deposition),
- diamante in film sottile di spessore inferiore a 25 micrometri depositato mediante CVD avente un drogaggio di tipo n,
- diamante in film sottile di spessore inferiore a 25 micrometri depositato mediante CVD avente terminazione chimica superficiale con idrogeno monoatomico e/o deposizioni di zirconio e/o cesio,
- diamante in film sottile di spessore inferiore a 25 micrometri depositato mediante CVD avente un drogaggio di tipo n ed avente terminazione chimica superficiale con idrogeno monoatomico e/o deposizioni di zirconio e/o cesio,
- materiali ceramici in film sottile di spessore inferiore a 25 micrometri selezionati dal gruppo comprendente o consistente di:
materiali ceramici a base di nitruro di titanio (TiN),
materiali ceramici a base di siliciuro di molibdeno,
materiali ceramici a base di carburi,
materiali ceramici a base di boruri,
- metalli refrattari in forma di film sottile con spessore non superiore ad 1 micrometro.
Secondo un altro aspetto dell’invenzione, l’assorbitore può essere realizzato in un materiale ceramico selezionato dal gruppo comprendente o consistente di:
carburo di afnio (HfC) avente una percentuale di volume di siliciuro di molibdeno (MoSi2) variabile dal 2% al 30%, preferibilmente variabile dal 3% al 20%, più preferibilmente variabile dal 4% al 10%, ancora più preferibilmente pari al 5%,
carburo di silicio (SiC) contenente additivi in una percentuale di volume inferiore al 20%, gli additivi comprendendo o consistendo di ossido di alluminio (Al2O3) ed ossido di ittrio (Y2O3), in cui l’ossido di alluminio à ̈ preferibilmente variabile dal 3% al 9% in volume, più preferibilmente pari al 6% in volume, ed in cui l’ossido di ittrio à ̈ preferibilmente variabile dal 1% al 7% in volume, più preferibilmente pari al 4% in volume,
carburo di silicio (SiC) contenente additivi in una percentuale di volume inferiore al 20%, gli additivi comprendendo o consistendo di ossido di alluminio (Al2O3) ed ossido di ittrio (Y2O3), e comprendente altresì siliciuro di molibdeno in una percentuale di volume variabile dal 20% al 40%, in cui l’ossido di alluminio à ̈ preferibilmente variabile dal 3% al 9% in volume, più preferibilmente pari al 6% in volume, ed in cui l’ossido di ittrio à ̈ preferibilmente variabile dal 1% al 7% in volume, più preferibilmente pari al 4% in volume, ed in cui il siliciuro di molibdeno à ̈ presente con una percentuale di volume preferibilmente variabile dal 25% al 35%, più preferibilmente pari al 30%,
materiali ceramici a base di nitruro di alluminio (AlN) contenente additivi comprendenti o consistenti di ossido di ittrio con una percentuale in peso variabile dal 1% al 5%, preferibilmente variabile dal 1% al 3%, più preferibilmente pari al 2%, e contenente altresì una percentuale in volume di carburo di silicio variabile dal 5% al 25%, preferibilmente variabile dal 10% al 20%, più preferibilmente pari al 15%, ed una percentuale in volume di siliciuro di molibdeno variabile dal 20% al 40%, preferibilmente variabile dal 25% al 35%, più preferibilmente pari al 30%,
materiale ceramico a base di carburo di tantalio (TaC) contenente additivi, preferibilmente comprendenti o consistenti di ossido di alluminio e/o ossido di ittrio, e/o siliciuro di molibdeno con una percentuale in volume di siliciuro di molibdeno variabile dal 20% al 40%, preferibilmente variabile dal 25% al 35%, più preferibilmente pari al 30%.
Secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione, l’emettitore termoionico può essere realizzato in un materiale selezionato dal gruppo comprendente o consistente di:
- diamante in film sottile di spessore inferiore a 10 micrometri, preferibilmente inferiore a 5 micrometri, più preferibilmente inferiore ad 1 micrometro, depositato mediante CVD,
- diamante in film sottile di spessore inferiore a 25 micrometri, preferibilmente inferiore a 10 micrometri, più preferibilmente inferiore a 5 micrometri, ancora più preferibilmente inferiore ad 1 micrometro, depositato mediante CVD avente un drogaggio di tipo n con azoto,
- diamante in film sottile di spessore inferiore a 10 micrometri, preferibilmente inferiore a 5 micrometri, più preferibilmente inferiore ad 1 micrometro, depositato mediante CVD avente terminazione chimica superficiale con idrogeno monoatomico e/o deposizioni di zirconio e/o cesio, - diamante in film sottile di spessore inferiore a 25 micrometri, preferibilmente inferiore a 10 micrometri, più preferibilmente inferiore a 5 micrometri, ancora più preferibilmente inferiore ad 1 micrometro, depositato mediante CVD avente un drogaggio di tipo n con azoto ed avente terminazione chimica superficiale con idrogeno monoatomico e/o deposizioni di zirconio e/o cesio,
- materiali ceramici in film sottile di spessore inferiore a 25 micrometri a base di carburo di titanio (TiC) e/o di carburo di zirconio (ZrC) e/o di carburo di tungsteno (WC) e/o carburo di afnio (HfC),
- materiali ceramici in film sottile di spessore inferiore a 25 micrometri a base di boruro di titanio (TiB2) e/o boruro di zirconio (ZrB2) e/o di esaboruro di lantanio (LaB6),
- materiali ceramici in film sottile di spessore inferiore a 10 micrometri, preferibilmente inferiore a 5 micrometri, più preferibilmente inferiore ad 1 micrometro, selezionati dal gruppo comprendente o consistente di: materiali ceramici a base di nitruro di titanio (TiN),
materiali ceramici a base di siliciuro di molibdeno,
materiali ceramici a base di carburi,
materiali ceramici a base di boruri,
- metalli refrattari in forma di film sottile con spessore non superiore ad 1 micrometro, preferibilmente non superiore a 800 nanometri, più preferibilmente non superiore a 700 nanometri, ancora più preferibilmente non superiore a 600 nanometri, persino più preferibilmente non superiore a 500 nanometri, persino ancora più preferibilmente non superiore a 400 nanometri, selezionati dal gruppo comprendente o consistente di molibdeno e tungsteno.
Secondo un aspetto aggiuntivo dell’invenzione, l’emettitore termoionico può essere separato dal collettore termoionico per una distanza inferiore ad 1 mm, preferibilmente inferiore a 100 micrometri, più preferibilmente inferiore a 10 micrometri, l’emettitore termoionico essendo preferibilmente separato dal collettore termoionico tramite uno o più distanziatori più preferibilmente realizzati in un materiale selezionato dal gruppo comprendente o consistente di zirconia, allumina, e vetroceramica MACOR®, il collettore termoionico 5 essendo preferibilmente realizzato in un materiale selezionato dal gruppo comprendente o consistente di molibdeno e tungsteno, più preferibilmente rivestito di cesio.
Secondo un altro aspetto dell’invenzione, l’assorbitore può essere provvisto su una o più pareti laterali di uno strato di metallo refrattario, l’assorbitore 1 avendo preferibilmente una forma a disco, più preferibilmente avente diametro variabile da 30 mm a 50 mm e spessore variabile da 3 mm a 10 mm.
Secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione, il dispositivo convertitore può comprendere altresì un contenitore di alloggiamento, in cui sono alloggiati l’assorbitore, l’emettitore termoionico ed il collettore termoionico, il contenitore di alloggiamento essendo provvisto di un foro passante chiuso da una finestra configurata per trasmettere radiazione elettromagnetica che incide su di essa sulla superficie esterna dell’assorbitore, il contenitore di alloggiamento essendo configurato per mantenere condizioni di vuoto al suo interno, preferibilmente tali che una pressione interna al contenitore di alloggiamento à ̈ inferiore a 10-5 mbar, detto foro passante essendo sagomato secondo un tronco di cono con pa reti interne aventi una inclinazione rispetto ad un asse verticale del tronco di cono preferibilmente pari a 45°, il dispositivo convertitore preferibilmente comprendendo altresì un apparato di pompaggio collegato tramite mezzi di collegamento idraulico al contenitore di alloggiamento, una distanza tra la finestra e la superficie esterna dell’assorbitore essendo preferibilmente variabile tra 1,0 mm e 10,0 mm, più preferibilmente pari a 5,0 mm, il dispositivo convertitore preferibilmente comprendendo altresì un dissipatore attivo frontale di calore comprendente almeno una cavità provvista di mezzi di collegamento idraulico configurati per ricevere un flusso di un liquido di raffreddamento per estrarre calore dalla finestra, il liquido di raffreddamento preferibilmente comprendendo una soluzione di acqua deionizzata e glicole etilenico, più preferibilmente in proporzione 50%-50%, o acqua demineralizzata, una superficie interna del contenitore di alloggiamento essendo preferibilmente rivestita di uno strato di materiale riflettente l’infrarosso.
Secondo un aspetto aggiuntivo dell’invenzione, il dispositivo convertitore può comprendere altresì un modulo termoelettrico comprendente un primo strato configurato per operare quale lato caldo del modulo termoelettrico, il primo strato essendo solidalmente accoppiato ad una pluralità di elementi termoelettrici provvisti di piste di interconnessione, la pluralità di elementi termoelettrici essendo a sua volta solidalmente accoppiata ad un secondo strato configurato per operare quale lato freddo del modulo termoelettrico, il collettore termoionico essendo solidalmente accoppiato al primo strato, il modulo termoelettrico essendo provvisto di mezzi di collegamento elettrico configurati per essere collegabili ad un secondo carico elettrico esterno cui fornire potenza elettrica, il primo strato ed il secondo strato essendo ognuno preferibilmente realizzato in un materiale ceramico, più preferibilmente diamante depositato mediante CVD o nitruro di alluminio depositato tramite serigrafia (screen printing) o rivestimento geopolimerico, gli elementi termoelettrici essendo preferibilmente selezionati nel gruppo comprendente elementi a semiconduttore e coppie di elementi realizzati in metalli con differente funzione lavoro, gli elementi termoelettrici essendo più preferibilmente realizzati in un materiale selezionato dal gruppo comprendente o consistente di:
- un materiale a base di tellururo di bismuto (Bi2Te3) e tellururo di antimonio (Sb2Te),
- un materiale a base di tellururo di piombo (PbTe),
- un materiale a base di lega germaniuro di silicio (SiGe),
- un materiale a base di titanati e/o lantanati di bario e stronzio drogati, - un materiale a base di carburi e/o boruri,
- un materiale a base di carburo di silicio e/o silicio-carburo di silicio, - un materiale a base di carburo di boro-boruro di titanio (B4C-TiB2), - un materiale composito metallo-ceramico,
gli elementi termoelettrici essendo ancora più preferibilmente realizzati in tellururo di piombo in film sottile e drogato di tipo-n tramite tellururo di antimonio e drogato di tipo-p mediante argento.
Secondo un altro aspetto dell’invenzione, il dispositivo convertitore può comprendere altresì mezzi posteriori di dissipazione di calore solidalmente accoppiati al secondo strato del modulo termoelettrico e configurati per estrarre calore dal secondo strato del modulo termoelettrico, detti mezzi di dissipazione di calore essendo selezionati dal gruppo consistente di:
- un dissipatore attivo posteriore di calore comprendente almeno una cavità provvista di mezzi di collegamento idraulico configurati per ricevere un flusso di un liquido di raffreddamento per termostatare il secondo strato del modulo termoelettrico, il liquido di raffreddamento preferibilmente comprendendo una soluzione di acqua deionizzata e glicole etilenico, più preferibilmente in proporzione 50%-50%, o acqua demineralizzata, - uno scambiatore passivo di calore.
Forma oggetto specifico della presente invenzione un procedimento di microfabbricazione di un dispositivo convertitore per convertire energia da radiazione elettromagnetica, in particolare energia solare concentrata, in potenza elettrica, caratterizzato da fatto che il dispositivo convertitore à ̈ il dispositivo convertitore appena descritto, per cui il dispositivo convertitore comprende un assorbitore di radiazione elettromagnetica, avente una superficie esterna configurata per essere esposta a radiazione elettromagnetica ed una superficie interna e provvista di una struttura sub-micrometrica periodica superficiale, ed un emettitore termoionico ed un collettore termoionico, e dal fatto che il procedimento comprende le fasi di:
A. avere a disposizione l’assorbitore,
B. depositare su detta superficie interna dell’assorbitore il materiale in cui à ̈ realizzato l’emettitore termoionico, per cui al termine della fase B l’emettitore termoionico à ̈ monoliticamente integrato su detta superficie interna dell’assorbitore,
C. realizzare la struttura sub-micrometrica periodica superficiale per mezzo di un trattamento della superficie esterna dell’assorbitore tramite laser al femtosecondo, per cui un fascio laser colpisce direttamente la superficie esterna dell’assorbitore.
Secondo un altro aspetto dell’invenzione, la fase C può essere effettuata con:
- lunghezza d’onda del laser compresa tra 200 e 1000 nanometri, preferibilmente tra 550 e 800 nanometri;
- durata del singolo impulso laser compreso tra 10 e 100 femtosecondi; - incidenza del fascio laser con un angolo rispetto ad una normale alla superficie esterna dell’assorbitore compreso tra 0° e 60°, preferibilmente con incidenza ortogonale alla superficie esterna dell’assorbitore, i.e. con un angolo rispetto alla normale alla superficie esterna dell’assorbitore pari a 0°;
- energia dell’impulso laser variabile nell’intervallo 0,01 - 5,00 mJ/impulso, preferibilmente nell’intervallo 0,2 – 2,0 mJ/impulso;
- punto di messa a fuoco avente diametro variabile da 5 Î1⁄4m ad 1 mm, preferibilmente variabile da 100 Î1⁄4m a 0,5 mm;
- velocità di una piastra di traslazione su cui à ̈ montato l’assorbitore la cui superficie esterna viene trattata al di sotto del fascio laser variabile nell’intervallo 0,01 – 100,00 cm/s, preferibilmente nell’intervallo 0,2 – 3,0 cm/s.
Secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione, dopo la fase A, può essere eseguita la seguente fase:
D. depositare uno strato di metallo refrattario su una o più pareti laterali dell’assorbitore.
Secondo un aspetto aggiuntivo dell’invenzione, la fase B può comprendere la seguente sotto-fase:
B.1 depositare diamante mediante CVD in film sottile di spessore inferiore a 25 micrometri su detta superficie interna dell’assorbitore, preferibilmente mediante CVD a microonde oppure mediante CVD a filamento caldo, avendo metano ed idrogeno quali gas precursori, il rapporto dei gas precursori metano-a-idrogeno variando da 0,05% a 5%, essendo preferibilmente pari a 1%,
per cui l’emettitore termoionico à ̈ realizzato in un materiale selezionato dal gruppo comprendente o consistente di:
- diamante in film sottile di spessore inferiore a 25 micrometri depositato mediante CVD,
- diamante in film sottile di spessore inferiore a 25 micrometri depositato mediante CVD avente un drogaggio di tipo n,
- diamante in film sottile di spessore inferiore a 25 micrometri depositato mediante CVD avente terminazione chimica superficiale con idrogeno monoatomico e/o deposizioni di zirconio e/o cesio,
- diamante in film sottile di spessore inferiore a 25 micrometri depositato mediante CVD avente un drogaggio di tipo n ed avente terminazione chimica superficiale con idrogeno monoatomico e/o deposizioni di zirconio e/o cesio,
in cui preferibilmente la sotto-fase B.1 à ̈ effettuata in un reattore CVD avente una atmosfera in cui à ̈ introdotto un gas di azoto, per cui l’emettitore termoionico à ̈ preferibilmente realizzato in un materiale selezionato dal gruppo comprendente o consistente di:
- diamante in film sottile di spessore inferiore a 25 micrometri depositato mediante CVD avente un drogaggio di tipo n,
- diamante in film sottile di spessore inferiore a 25 micrometri depositato mediante CVD avente un drogaggio di tipo n ed avente terminazione chimica superficiale con idrogeno monoatomico e/o deposizioni di zirconio e/o cesio,
la fase B preferibilmente comprendendo altresì, dopo la sotto-fase B.1, la seguente sotto-fase:
B.2 esporre il film sottile di diamante ottenuto dalla fase B.1. a plasma di idrogeno in modo tale da far attaccare uno strato monoatomico di idrogeno su una superficie del diamante,
per cui l’emettitore termoionico à ̈ preferibilmente realizzato in un materiale selezionato dal gruppo comprendente o consistente di:
- diamante in film sottile di spessore inferiore a 25 micrometri depositato mediante CVD avente terminazione chimica superficiale con idrogeno monoatomico e/o deposizioni di zirconio e/o cesio,
- diamante in film sottile di spessore inferiore a 25 micrometri depositato mediante CVD avente un drogaggio di tipo n ed avente terminazione chimica superficiale con idrogeno monoatomico e/o deposizioni di zirconio e/o cesio.
Secondo un altro aspetto dell’invenzione, la fase B può comprendere la seguente sotto-fase:
B.3 depositare esaboruro di lantanio (LaB6) mediante deposizione fisica da vapore (PVD - Physical Vapour Deposition), preferibilmente seguita da un trattamento di una superficie dell’emettitore termoionico tramite laser al femtosecondo, e/o mediante deposizione a laser impulsato (PLD - Pulsed Laser Deposition), e/o mediante tecnica di spruzzamento catodico a radiofrequenza (RF sputtering) su detta superficie interna dell’assorbitore, per cui l’emettitore termoionico à ̈ realizzato in esaboruro di lantanio (LaB6), preferibilmente nanostrutturato, in film sottile di spessore inferiore a 25 micrometri, preferibilmente non superiore a 1 micrometro, più preferibilmente non superiore a 800 nanometri, ancora più preferibilmente non superiore a 700 nanometri, persino più preferibilmente non superiore a 600 nanometri, persino ancora più preferibilmente non superiore a 500 nanometri, ancora persino più preferibilmente non superiore a 400 nanometri.
Secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione, il procedimento può comprendere altresì, dopo la fase C, la seguente fase:
E. realizzare sul collettore termoionico un primo strato, configurato per operare quale lato caldo di un modulo termoelettrico, in un materiale ceramico selezionato tra diamante depositato mediante CVD o nitruro di alluminio depositato tramite serigrafia (screen printing) o rivestimento geopolimerico,
per cui il dispositivo convertitore à ̈ il dispositivo convertitore sopra descritto comprendente un modulo termoelettrico.
Secondo un aspetto aggiuntivo dell’invenzione, il procedimento può comprendere altresì, dopo la fase E, la seguente fase:
F. depositare selettivamente sul primo strato ottenuto dalla fase E tramite PVD una pluralità di elementi termoelettrici in materiale a base di carburi e/o boruri elettroconduttivi,
oppure la seguente fase:
G. depositare sul primo strato ottenuto dalla fase E tramite PLD e/o tramite RF sputtering un film sottile di tellururo di piombo a temperature maggiori di 300 °C e minori di 700 °C, preferibilmente comprese tra 400°C e 550 °C, il film sottile di tellururo di piombo essendo selettivamente drogato di tipo-n tramite una successiva deposizione di tellururo di antimonio ed essendo selettivamente drogato di tipo-p mediante successiva deposizione di argento, il film sottile di tellururo di piombo spazialmente definito secondo una configurazione di elementi termoelettrici, la deposizione tramite PLD e/o tramite RF sputtering comprendendo preferibilmente le seguenti sottofasi:
G.1. depositare tellururo di piombo a partire dall’ablazione di un bersaglio di tellururo monocristallino o policristallino con purezza del 99,995%,
G.2 effettuare una ablazione di un bersaglio di tellururo di antimonio con purezza del 99,995% per introdurre selettivamente atomi di antimonio nel film sottile di tellururo di piombo ottenuto nella sottofase G.1 ed ottenere un drogaggio di tipo-n,
G.3 effettuare una ablazione di un bersaglio di argento con purezza del 99,995% per introdurre selettivamente atomi di argento ed ottenere un drogaggio di tipo-p,
G.4 definire spazialmente il film sottile di tellururo di piombo drogato ottenuto dalle sottofasi G.1-G.3 mediante tecniche fotolitografiche combinate con tecniche di dissoluzione chimica per ottenere la configurazione di elementi termoelettrici,
il procedimento preferibilmente comprendendo altresì, dopo la fase F o G, la seguente fase:
H. realizzare un secondo strato, configurato per operare quale lato freddo del modulo termoelettrico, in un materiale ceramico selezionato tra diamante depositato mediante CVD o nitruro di alluminio depositato tramite serigrafia (screen printing) o rivestimento geopolimerico.
I componenti attivi del dispositivo convertitore secondo l’invenzione sono l’assorbitore di radiazione elettromagnetica, un modulo termoionico comprendente un emettitore ed un collettore, ed eventualmente un modulo termoelettrico; in proposito, con radiazione elettromagnetica si intende una qualsiasi forma di radiazione elettromagnetica inclusa, in particolare, la radiazione solare e le radiazioni a microonde. Grazie a tali componenti, il dispositivo convertitore à ̈ in grado di produrre energia elettrica e, nella preferita forma di realizzazione comprendente i due moduli di conversione (che realizzano una conversione a due stadi), anche energia termica. L’assorbitore di radiazione elettromagnetica à ̈ un efficiente convertitore foto-termico realizzato in un materiale selezionato tra materiali ceramici, metalli refrattari e grafite pirolitica.
Il dispositivo convertitore secondo l’invenzione opera in condizioni di vuoto, rendendo entrambi gli stadi di conversione, i.e. termoionico e termoelettrico, capaci di convertire efficientemente l’energia termica direttamente in energia elettrica, senza parti mobili, in modo compatto, affidabile e facile da gestire.
La presente invenzione verrà ora descritta, a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo sue preferite forme di realizzazione, con particolare riferimento alle Figure dei disegni allegati, in cui:
la Figura 1 mostra una rappresentazione schematica (Fig.1a) ed il relativo profilo di temperatura (Fig. 1b) di una prima preferita forma di realizzazione del dispositivo convertitore secondo l’invenzione;
la Figura 2 mostra una vista prospettica frontale (Fig.2a) ed una vista prospettica posteriore (Fig. 2b) di una seconda preferita forma di realizzazione del dispositivo convertitore secondo l’invenzione;
la Figura 3 mostra una vista prospettica frontale esplosa del dispositivo convertitore di Figura 2;
la Figura 4 mostra una vista prospettica posteriore esplosa del dispositivo convertitore di Figura 2; e
la Figura 5 mostra una vista prospettica (Fig. 5a) ed una vista in pianta (Fig. 5b) di un componente di una terza preferita forma di realizzazione del dispositivo convertitore secondo l’invenzione.
Nelle Figure numeri di riferimento identici saranno utilizzati per elementi analoghi.
Nel seguito della presente descrizione vengono riportati alcuni valori di pressione, invece che nell’unità di misura del Sistema Internzionale (i.e. Pascal), nelle unità di misura bar (1 bar = 105 Pascal), millibar (1 mbar= 100 Pascal) e torr (1 torr = 133,3223684 Pascal).
Con riferimento alla Figura 1a, si può osservare che la preferita forma di realizzazione del dispositivo convertitore secondo l’invenzione comprende un assorbitore 1 di radiazione solare (o altra radiazione elettromagnetica), che trasforma l’energia della radiazione solare in energia termica, avente una superficie esterna 10 esposta alla radiazione solare ed una superficie interna solidalmente accoppiata ad un emettitore (o catodo) termoionico 2, separato da uno spazio inter-elettrodico 3 da un collettore termoionico (o anodo) 5 tramite distanziatori termicamente ed elettricamente isolanti 4. La distanza tra emettitore 2 e collettore 5 termoionici nello spazio inter-elettrodico 3 à ̈ minore ad 1 mm e preferibilmente inferiore a 10 Î1⁄4m; i distanziatori 4 non sono una caratteristica essenziale dell’invenzione, ma sono opzionali. Il collettore termoionico 5 à ̈ solidalmente accoppiato ad un primo strato 6 termicamente conduttivo ed elettricamente isolante, a sua volta solidalmente accoppiato ad una pluralità di elementi termoelettrici 7 provvisti di piste 70 di interconnessione; in particolare, gli elementi termoelettrici 7 sono preferibilmente elementi a semiconduttore (schematizzati in Figura 1a da coppie di elementi a drogaggio p e n), oppure, alternativamente od in combinazione con gli elementi a semiconduttore, coppie di elementi realizzati in metalli con differente funzione lavoro. La pluralità di elementi termoelettrici 7 à ̈ a sua volta solidalmente accoppiata ad un secondo strato 8 termicamente conduttivo ed elettricamente isolante, a sua volta solidalmente accoppiato ad un dissipatore 9 di calore, che può essere sia passivo che attivo e che, nella configurazione attiva (mostrata in Figura 1a), à ̈ provvisto di un ingresso 90 e di un uscita 91 per il liquido di raffreddamento. In particolare, il primo strato 6 ed il secondo strato 8 operano, rispettivamente, quali lato caldo e lato freddo del modulo di conversione termoelettrica. Con riferimento alla Figura 1b, l’assorbitore 1 opera ad una temperatura TR, variabile tra 600°C e 1100°C, preferibilmente variabile tra 800°C e 1000°C, e l’emettitore termoionico 2 opera ad una temperatura TEprossima a TR(TE≅ TR); il collettore termoionico 5 ed il primo strato 6 operano ad una temperatura TCmolto inferiore a TE(TC<< TE), preferibilmente variabile tra il 25% ed il 65% di TE, più preferibilmente variabile tra 250°C e 500°C. In Figura 1, sono schematizzati con i blocchi 30 e 75 i carichi elettrici alimentati dal modulo termoionico e dal modulo termoelettrico, rispettivamente.
L’ assorbitore 1, l’emettitore termoionico 2, gli eventuali distanziatori 4, il collettore termoionico 5, il primo strato 6, gli elementi termoelettrici 7 ed il secondo strato 8 sono alloggiati in un contenitore 15 che garantisce condizioni di vuoto, preferibilmente tali che la pressione interna al contenitore 15 à ̈ inferiore a 10-5 mbar; il contenitore 15 di alloggiamento comprende una finestra trasparente (non mostrata in Figura 1) che trasmette otticamente la radiazione solare concentrata verso la superficie esterna 10 dell’assorbitore 1. In Figura 1a, anche il dissipatore 9 à ̈ rappresentato alloggiato all’interno del contenitore 15; tuttavia, il dissipatore 9 può essere anche posizionato esternamente al contenitore 15 ed in contatto con questo (come mostrato per la forma di realizzazione del dispositivo convertitore secondo l’invenzione di Figura 2).
L’assorbitore 1 à ̈ realizzato con tecniche di sinterizzazione ad alta temperatura, mentre l’emettitore termoionico 2 à ̈ realizzato mediante procedimenti di microfabbricazione tipici dei dispositivi a semiconduttore. Inoltre, anche gli eventuali distanziatori 4 ed il collettore termoionico 5, nonché l’eventuale modulo termoelettrico (comprendente il primo strato 6, gli elementi termoelettrici 7 ed il secondo strato 8) sono preferibilmente realizzati mediante procedimenti di microfabbricazione tipici dei dispositivi a semiconduttore.
Valori di TRvariabili tra 600°C e 1100°C, preferibilmente tra 800°C e 1000°C, sono sufficienti a fornire adeguatamente energia termica per l’emissione elettronica dall’emettitore 2; a tale scopo, l’emettitore 2 ha una elevata conducibilità termica per raggiungere una temperatura TEquanto più prossima possibile a quella dell’assorbitore 1 (TR≅ TE) e quindi minimizzare possibili perdite termiche. Il collettore 5 non à ̈ direttamente accoppiato all’emettitore 2, per cui il profilo della temperatura mostrerebbe, idealmente, una discontinuità fino al valore TCche sarebbe stabilito puramente dall’assorbimento della radiazione da corpo nero emessa dal complesso assorbitore 1-emettitore 2; in realtà , l’emettitore 2 ed il collettore 5 sono separati da distanziatori 4 ad essi accoppiati i quali, sebbene realizzati in materiale a bassa conducibilità termica, innalzano TCrispetto al caso ideale e rendono lineare il profilo della temperatura come mostrato in Figura 1b. Preferibilmente, TCà ̈ variabile tra 250°C e 500°C, per cui la differenza di temperatura rispetto a TEà ̈ in grado di ottimizzare il funzionamento dei due stadi termoionico e termoelettrico.
Il primo strato 6 à ̈ termicamente conduttivo, affinché la sua temperatura sia più prossima possibile a TC, ed elettricamente isolante, per evitare dispersioni della corrente di uscita del modulo termoionico (ovvero dispersioni di corrente dal collettore termoionico 5) e dalle piste di interconnessione 70 delle coppie termoelettriche 7 a contatto con il primo strato 6. La pluralità di elementi termoelettrici 7 comprende preferibilmente coppie termoelettriche di elementi semiconduttori a drogaggio p e n, operanti quali materiali attivi del modulo termoelettrico, collegati elettricamente in serie tra loro, che lavorano tra una temperatura TTE-Hdel primo strato 6 (lato caldo) ed una temperatura TTE-Cdel secondo strato 8 (lato freddo). In particolare, TTE-Hà ̈ quanto più prossima possibile a TC, mentre TTE-Cà ̈ stabilito controllando la massima temperatura TAmbdell’apparato di reiezione del calore formato dal dissipatore 9 di calore, preferibilmente raffreddato a liquido. Utilizzando un dissipatore 9 di calore sufficientemente efficiente, TAmbà ̈ prossima a TTE-C; preferibilmente, TAmbvaria da 0°C a 90°C, più preferibilmente TAmbvaria da 30°C a 90°C in funzione della specifica applicazione del dispositivo convertitore secondo l’invenzione, in cui può essere massimizzata l’uscita elettrica del dispositivo stesso (per cui TAmbà ̈ quanto più prossima possibile alla temperatura ambiente o addirittura può essere portata, mediante consumo di energia, ad una temperatura di poco superiore a quella di congelamento del liquido di raffreddamento) oppure viene combinata la capacità di cogenerazione (per cui TAmbà ̈ alta per poter sfruttare l’energia termica residua) oppure trovando una soluzione intermedia che ottimizzi ogni uscita (i.e. sia l’uscita termoionica che termoelettrica, sia l’uscita termica, per cui TAmbha un valore intermedio).
Il materiale dell’assorbitore 1 ha, innanzitutto, una assorbanza nello spettro della radiazione solare (in termini di percentuale della potenza di radiazione assorbita rispetto a quella incidente) quanto più alta possibile per incrementare l’efficienza di conversione da radiazione concentrata ad energia termica; infatti, maggiore à ̈ l’assorbanza del materiale dell’assorbitore 1, maggiore à ̈ la capacità dell’assorbitore 1 di intrappolare la luce concentrata su di esso e conseguentemente più alta à ̈ la temperatura di funzionamento ottenuta a parità di flusso di radiazione. Inoltre, il materiale dell’assorbitore 1 ha preferibilmente una emissione di radiazione da corpo nero quanto più bassa possibile per minimizzare le perdite di energia ed evitare il riscaldamento degli elementi circostanti. Ancora, tale materiale ha un punto di fusione più alto, vantaggiosamente molto più alto, delle temperature di funzionamento (variabili da 600°C a 100°C, preferibilmente da 800°C a 1000°C) del dispositivo convertitore secondo l’invenzione. Ulteriormente, il materiale dell’assorbitore 1 ha preferibilmente resistenza meccanica ad alte temperature. Inoltre, tale materiale ha vantaggiosamente una resistenza a stress (o shock) termici quanto più alta possibile in modo da poter affrontare variazioni critiche delle temperature di funzionamento (e.g. causate da variazioni improvvise nelle condizioni metereologiche od errori nell’inseguimento solare dell’ottica di concentrazione). Ancora, il materiale dell’assorbitore 1 ha preferibilmente una resistività elettrica quanto più bassa possibile per fornire all’emettitore termoionico 2 un sufficiente ricambio di elettroni. Infine, tale materiale ha vantaggiosamente un coefficiente di espansione termica ed una struttura cristallina compatibili con quelle del materiale dell’emettitore termoionico 2.
Il materiale dell’assorbitore 1 del dispositivo convertitore secondo l’invenzione à ̈ selezionato tra materiali ceramici (che hanno una elevata stabilità termica e meccanica alle temperature di funzionamento del dispositivo convertitore secondo l’invenzione), metalli refrattari e grafite pirolitica (che hanno capacità operativa ad alte temperature).
Per quanto riguarda i materiali ceramici, il materiale dell’assorbitore 1 può essere selezionato tra:
- carburo di afnio (HfC);
- carburo di afnio (HfC) avente una percentuale di volume di siliciuro di molibdeno (MoSi2) preferibilmente inferiore al 40%, più preferibilmente variabile dal 2% al 30%, ancora più preferibilmente variabile dal 3% al 20%, persino più preferibilmente variabile dal 4% al 10%, persino ancora più preferibilmente pari al 5%;
- carburo di silicio (SiC);
- carburo di silicio (SiC) contenente additivi preferibilmente in una percentuale di volume inferiore al 20%, in cui gli additivi più preferibilmente comprendono ossido di alluminio (Al2O3) ed ossido di ittrio (Y2O3), in cui l’ossido di alluminio à ̈ ancora più preferibilmente variabile dal 3% al 9% in volume, persino più preferibilmente pari al 6% in volume, ed in cui l’ossido di ittrio à ̈ ancora più preferibilmente variabile dal 1% al 7% in volume, persino più preferibilmente pari al 4% in volume; la resistività elettrica del carburo di silicio (SiC) contenente additivi à ̈ conseguentemente maggiore di quella del carburo di silicio puro;
- carburo di silicio (SiC) contenente additivi come appena menzionato (i.e.
preferibilmente in percentuale di volume inferiore al 20% e più preferibilmente comprendenti ossido di alluminio ed ossido di ittrio) e comprendente altresì una concentrazione non trascurabile di siliciuro di molibdeno, i.e. in percentuale di volume variabile dal 20% al 40%, preferibilmente dal 25% al 35%, più preferibilmente pari al 30%; tale materiale ha una resistività molto inferiore di quella degli altri materiali basati su carburo di silicio a causa di un meccanismo di conduzione elettrica percolativa tra le regioni di siliciuro di molibdeno;
- materiale ceramico a base di nitruro di alluminio (AlN) e contenente altresì una percentuale in volume di carburo di silicio variabile dal 5% al 25%, preferibilmente variabile dal 10% al 20%, più preferibilmente pari al 15%, ed una percentuale in volume di siliciuro di molibdeno variabile dal 20% al 40%, preferibilmente variabile dal 25% al 35%, più preferibilmente pari al 30%, il quale materiale ceramico comprende altresì una percentua le in peso di ossido di ittrio variabile dal 1% al 5%, preferibilmente variabile dal 1% al 3%, più preferibilmente pari al 2%; il contenuto di siliciuro di molibdeno diminuisce la resistività del materiale;
- carburo di tantalio (TaC);
- materiale ceramico a base di carburo di tantalio (TaC), eventualmente contenente additivi (quali ossido di alluminio e/o ossido di ittrio) e/o siliciuro di molibdeno analogamente ai materiali sopra elencati.
Nei materiali a base di carburo di afnio e nei materiali a base di carburo di silicio, il siliciuro di molibdeno ha il ruolo di stabilizzare la struttura e ridurre stress meccanici e deformazioni interne. Tuttavia, il siliciuro di molibdeno provoca anche una diminuzione della capacità di assorbimento della radiazione solare. La realizzazione di una struttura sub-micrometrica periodica superficiale (nota come texturing) sulla superficie esterna 10 dell’assorbitore 1 compensa tale diminuzione di assorbanza con una maggiore capacità di intrappolamento della luce.
Per quanto riguarda i metalli refrattari, il materiale dell’assorbitore 1 può essere selezionato tra molibdeno e tungsteno.
Come detto, la superficie esterna 10 dell’assorbitore 1 à ̈ provvista di una struttura sub-micrometrica periodica superficiale, preferibilmente realizzata mediante laser al femtosecondo, per aumentare l’assorbanza dell’assorbitore 1 in un ampia gamma di lunghezze d’onda, principalmente nelle regioni del visibile (con lunghezze d’onda variabili da 380 a 750 nanometri) e del vicino infrarosso (con lunghezze d’onda variabili da 750 nanometri a 1,4 micrometri). Il trattamento tramite laser al femtosecondo può essere effettuato facendo colpire direttamente il fascio laser sulla superficie del materiale da trattare (i.e. sulla superficie esterna 10 dell’assorbitore 1) in condizioni di alto-vuoto, in aria o in atmosfera reattiva con i seguenti parametri (che, tuttavia, non devono essere considerati come essenziali dell’invenzione ma puramente illustrativi):
- lunghezza d’onda del laser compresa tra 200 e 1000 nanometri, preferibilmente tra 550 e 800 nanometri, ancora più preferibilmente pari a 800 nm;
- durata del singolo impulso laser compreso tra 10 e 100 femtosecondi; - incidenza del fascio laser con un angolo rispetto alla normale alla superficie da trattare (i.e. la superficie esterna 10 dell’assorbitore 1) compreso tra 0° e 60°, preferibilmente con incidenza ortogonale alla superficie da trattare, i.e. con un angolo rispetto alla normale alla superficie da trattare pari a 0°;
- energia dell’impulso laser variabile nell’intervallo 0,01 - 5,00 mJ/impulso, preferibilmente nell’intervallo 0,2 - 2,0 mJ/impulso;
- punto di messa a fuoco avente diametro variabile da 5 Î1⁄4m ad 1 mm, preferibilmente variabile da 100 Î1⁄4m a 0,5 mm;
- velocità della piastra di traslazione su cui à ̈ montato il materiale da trattare al di sotto del fascio laser variabile nell’intervallo 0,01 – 100,00 cm/s, preferibilmente nell’intervallo 0,2 – 3,0 cm/s.
Durante il trattamento, la lunghezza d’onda del laser à ̈ preferibilmente mantenuta costante.
Tale trattamento induce un significativo incremento nell’efficienza di assorbimento dell’assorbitore 1, riducendo le differenze di assorbanza dei diversi materiali in cui può essere realizzato l’assorbitore 1; in particolare, il valore dell’assorbanza della radiazione solare dell’assorbitore 1 avente la superficie 10 trattata come sopra raggiunge valori superiori al 90%. Infatti, la superficie 10, provvista della struttura sub-micrometrica periodica superficiale (che, con i parametri del laser al femtosecondo sopra menzionati esemplificativamente, à ̈ composta da linee distanti circa 800 nm, i.e. la lunghezza d’onda del laser) agisce da reticolo di diffrazione che abilita un intrappolamento della radiazione incidente nella superficie 10 dell’assorbitore 1.
Per migliorare le caratteristiche di emissione termica dell’assorbitore 1, le perdite termiche di quest’ultimo possono essere drasticamente ridotte se non del tutto eliminate depositando un sottile strato di metallo refrattario sulle pareti laterali dell’assorbitore (i.e. sulle superfici differenti dalla superficie esterna 10 e dalla superficie interna) e/o depositando uno strato molto sottile di materiale riflettente l’infrarosso sulla superficie interna del contenitore 15 di alloggiamento del dispositivo convertitore.
L’assorbitore 1 ha preferibilmente una forma a disco. A titolo esemplificativo e non a titolo limitativo, l’assorbitore 1, avente forma a disco, può avere un diametro variabile da 30 mm a 50 mm ed uno spessore variabile da 3 mm a 10 mm. In proposito, la distribuzione del flusso di radiazione per qualsiasi materiale in cui à ̈ realizzato l’assorbitore 1 à ̈ quasi totalmente assorbita nei primi strati di quest’ultimo (in corrispondenza della superficie esterna 10). Ciò implica che lo spessore dell’assorbitore 1 non influenza l’efficienza di assorbimento e lo spessore più appropriato à ̈ quello più piccolo tecnicamente realizzabile (e.g.3 mm), che à ̈ sufficiente ad attenuare eventuali punti caldi (hot-spot) della radiazione concentrata ed a massimizzare la conduzione termica in tutto il corpo del materiale verso l’emettitore termoionico 2.
La forma a disco dell’assorbitore 1 ha i vantaggi della scalabilità , della semplicità di fabbricazione e della capacità di essere facilmente trattato superficialmente sulla superficie esterna 10 e consentire la deposizione del materiale dell’emettitore termoionico 2 sulla superficie interna.
Infatti, l’emettitore termoionico 2 viene realizzato direttamente sulla superficie interna dell’assorbitore 1, in particolare mediante una deposizione che consente una integrazione monolitica dello stadio termoionico sull’assorbitore 1. In altre parole, il materiale dell’emettitore termoionico 2 forma dei legami fisici stabili con il materiale dell’assorbitore 1.
Il materiale dell’emettitore termoionico 2 à ̈ selezionato tra:
- diamante depositato mediante deposizione chimica da vapore, nota anche come CVD (Chemical Vapour Deposition), in film sottile di spessore inferiore a 25 Î1⁄4m, preferibilmente inferiore a 10 Î1⁄4m, più preferibilmente inferiore a 5 Î1⁄4m, ancora più preferibilmente inferiore ad 1 Î1⁄4m;
- materiali ceramici per applicazioni di alta temperatura comprendenti nitruro di titanio (TiN), siliciuro di molibdeno, materiali a base di carburi (quali carburo di afnio, carburo di titanio – TiC -, carburo di zirconio – ZrC –, e carburo di tungsteno – WC), e materiali a base di boruri (quali boruro di titanio – TiB2-, e boruro di zirconio - ZrB2); eventualmente, tali materiali ceramici possono comprendere degli additivi, quali ossido di alluminio e/o ossido di ittrio, e/o delle fasi metalliche consistenti di fini particelle metalliche o intermetalliche;
- altri materiali noti per la loro capacità di emissione di elettroni a temperature (maggiori di 1300°C) maggiori di quella di funzionamento del dispositivo convertitore secondo l’invenzione, come ad esempio boruro di lantanio (LaB6), e metalli refrattari quali molibdeno e tungsteno; per l’utilizzazione nel dispositivo convertitore secondo l’invenzione, la temperatura di emissione di tali materiali viene abbassata depositando tali materiali in forma di film sottile (con spessore non superiore ad 1 micrometro, preferibilmente non superiore a 800 nanometri, più preferibilmente non superiore a 700 nanometri, ancora più preferibilmente non superiore a 600 nanometri, persino più preferibilmente non superiore a 500 nanometri, persino ancora più preferibilmente non superiore a 400 nanometri) tramite deposizione fisica da vapore, anche nota come PVD (Physical Vapour Deposition), e/o inducendo una nano-strutturazione durante il procedimento di crescita del film e/o per mezzo di trattamenti successivi tramite laser al femtosecondo e/o al plasma reattivo.
In particolare, il diamante CVD à ̈ il materiale preferito per l’emettitore termoionico 2 in quanto garantisce una conducibilità termica molto alta (1000-2000 Wâ‹…m-1â‹…K-1), ha una bassa energia di funzione lavoro causata dalla affinità elettronica negativa, in grado di indurre una eccellente capacità di emettere termicamente elettroni persino a temperatura non troppo elevata, i.e. a 600°C. Inoltre, il diamante CVD ha il vantaggio tecnologico di poter essere depositato su grandi superfici (e.g. su wafer da 10 pollici – dove 1 pollice = 2,54 cm) e proprietà fisiche che possono essere adattate in funzione della specifica applicazione variando i parametri di deposizione. In proposito, la sua funzione lavoro può essere regolata agendo su:
- una appropriata terminazione chimica superficiale termicamente stabile, e.g. per mezzo di processi di terminazione superficiale con idrogeno monoatomico e/o deposizioni di zirconio e/o cesio;
- un drogaggio di tipo n con azoto durante il procedimento di deposizione.
Come detto, il materiale dell’emettitore termoionico 2 viene direttamente depositato sulla superficie interna dell’assorbitore 1; la preferita forma di realizzazione del dispositivo convertitore secondo l’invenzione utilizza per tale materiale il diamante CVD che viene depositato tramite una di due possibili tecniche: CVD a microonde e CVD a filamento caldo. In particolare, nella tecnica CVD a microonde à ̈ possibile depositare film di diamante con drogaggio n a concentrazione di drogante maggiore rispetto a quanto ottenibile mediante la tecnica CVD a filamento caldo. Il drogaggio di tipo n, che à ̈ ottenuto dall’introduzione di un gas di azoto estremamente puro nell’atmosfera del reattore CVD, consente di migliorare l’emissione termoionica del diamante, dato che induce uno spostamento del livello di Fermi più vicino alla banda di conduzione del materiale, per cui la barriera di energia per rilasciare elettroni mobili à ̈ ridotta. Le tecniche CVD a microonde ed a filamento caldo utilizzano i medesimi parametri termodinamici, specificamente metano ed idrogeno come gas precursori, una temperatura del substrato da 600°C a 900 °C, preferibilmente da 700°C a 800°C, ed una pressione del gas da 5 a 100 Torr, preferibilmente da 15 a 40 Torr; le due tecniche differiscono solo nel metodo di attivazione dei gas precursori. In particolare, il rapporto dei gas precursori metano-a-idrogeno determina la qualità strutturale dei grani di diamante nel film che viene cresciuto; tale rapporto può variare tra 0,05% e 5%, ed à ̈ preferibilmente pari a 1%.
La stabilità meccanica dei film di diamante su uno specifico substrato dipende dalla compatibilità della sua struttura cristallina e del suo coefficiente di espansione termica con quelli del substrato, ovvero del materiale dell’assorbitore 1. In particolare, la compatibilità delle strutture cristalline à ̈ responsabile della stabilità dei legami chimici del diamante sul substrato (i.e. della sua adesione), mentre la compatibilità dei coefficienti di espansione termica à ̈ legata alla stabilità termica alle alte temperature e durante cicli termici. In particolare, il diamante CVD ha generalmente una buona compatibilità della struttura cristallina con carburi e nitruri, ed una minore compatibilità con siliciuri.
Il film di diamante CVD dell’emettitore termoionico 2 depositato sull’assorbitore 1 ha preferibilmente uno spessore variabile da 0,1 a 15 Î1⁄4m, più preferibilmente variabile da 0,1 a 3 Î1⁄4m. In particolare, quanto più alta à ̈ la concentrazione di siliciuro di molibdeno nel materiale dell’assorbitore 1, tanto più il diamante CVD cresciuto su di esso soffre di stress meccanici, che tuttavia sono diminuiti se il materiale dell’assorbitore 1 à ̈ basato su elementi aventi una piena compatibilità cristallina con il diamante, come carburo di silicio e nitruro di alluminio.
Come accennato in precedenza, la superficie del diamante à ̈ soggetta ad un trattamento che stabilizza la sua terminazione chimica superficiale , e.g. ottenendo una terminazione di idrogeno, che induce un abbassamento della affinità elettronica fino a valori negativi, per cui gli elettroni mobili liberi situati vicino alla superficie sono soggetti ad una barriera di energia molto bassa (o addirittura nulla) per fuoriuscire verso il vuoto, migliorando l’emissione di elettroni. La terminazione di idrogeno à ̈ ottenuta esponendo i film di diamante CVD a plasma di idrogeno in condizioni di processo tali da consentire ad uno strato monoatomico di idrogeno di “attaccarsi†sulla superficie del diamante.
Una prima alternativa vantaggiosa al diamante CVD come materiale dell’emettitore termoionico 2 à ̈ l’esaboruro di lantanio (LaB6) nanostrutturato, realizzato in film sottile tramite deposizione a laser impulsato, nota anche come PLD (Pulsed Laser Deposition), e/o tramite tecnica di spruzzamento catodico a radiofrequenza (RF sputtering), con spessori preferibilmente variabili da 200 nanometri a 800 nm, più preferibilmente pari a 500 nanometri, che consentono di rendere meno critica l’adesione del film all’assorbitore 1. La deposizione PLD e/o tramite RF sputtering à ̈ effettuata preferibilmente a partire da un bersaglio di esaboruro di lantanio con purezza del 99,9995% su campioni ceramici e di molibdeno e/o tungsteno.
Una seconda alternativa vantaggiosa al diamante CVD come materiale dell’emettitore termoionico 2 à ̈ un materiale basato su carburo di afnio, realizzato sempre in film sottile con spessori analoghi (minori di 500 nanometri). Quando anche l’assorbitore 1 à ̈ in carburo di afnio, ciò consente di avere un unico materiale con il vantaggio di eliminare tutti i problemi precedentemente citati, e.g. in relazione alla stabilità termica ed alla compatibilità della struttura cristallina.
Il materiale del collettore termoionico 5 à ̈ selezionato in funzione del materiale dell’emettitore termoionico 2, per far corrispondere adeguatamente le loro funzioni lavoro. In proposito, i materiali più versatili sono il molibdeno o il tungsteno preferibilmente rivestiti di cesio, la cui funzione lavoro può essere regolata variando la percentuale di cesio presente sulla superficie di molibdeno o tungsteno.
Il modulo termoelettrico del dispositivo convertitore secondo l’invenzione comprende il primo strato 6 (lato caldo), la pluralità di elementi termoelettrici 7, ed il secondo strato 8 (lato freddo). Il primo ed il secondo strato 6 e 8 sono termicamente conduttivi ed elettricamente isolanti per evitare dispersioni elettriche e perdite termiche alle estremità del modulo termoelettrico. Questi strati sono vantaggiosamente realizzati in materiali ceramici, quale ad esempio diamante CVD intrinseco o nitruro di alluminio depositato tramite serigrafia (anche detta screen printing) o rivestimento geopolimerico (che non ha bisogno di alte temperature per consolidare il rivestimento). La pluralità di elementi termoelettrici 7 possono essere realizzati:
- in un materiale a base di tellururo di bismuto (Bi2Te3) e tellururo di antimonio (Sb2Te) per una generazione di potenza in bassa scala dalla temperatura ambiente fino a circa 250°C;
- in un materiale a base di tellururo di piombo (PbTe) per applicazioni a temperature operative nell’intervallo 230°C- 530°C;
- in un materiale a base di lega germaniuro di silicio (SiGe) per applicazioni a temperature operative superiori a 530°C.
Il materiale degli elementi termoelettrici 7 può essere selezionato inoltre dal gruppo di materiali comprendente materiali a base di titanati e lantanati di bario e stronzio drogati, materiali a base di carburi e boruri elettroconduttivi depositati tramite PVD, materiali a base di carburo di silicio e silicio-carburo di silicio, materiali a base di carburo di boro-boruro di titanio (B4C-TiB2), e materiali compositi metallo-ceramici.
Nella preferita forma di realizzazione del dispositivo convertitore secondo l’invenzione, il materiale degli elementi termoelettrici 7 à ̈ tellururo di piombo depositato in film sottile a temperature maggiori di 300 °C e minori di 700 °C, preferibilmente comprese tra 400°C e 550 °C tramite tecnica PLD e/o tramite RF sputtering e drogato di tipo-n tramite una successiva deposizione di tellururo di antimonio e di tipo-p mediante deposizione di argento. La tecnica di deposizione PLD e/o tramite RF sputtering à ̈ in grado di indurre la formazione di una nanostruttura del film depositato che ostacola la conducibilità termica del materiale mantenendo costante la sua conducibilità elettrica, per cui il coefficiente di Seebeck del materiale ne risulta aumentato. A titolo esemplificativo, la deposizione PLD e/o tramite RF sputtering può basarsi su una prolungata fase di deposizione di tellururo di piombo a partire dall’ablazione di un bersaglio di tellururo mono- o policristallino con purezza del 99,995%, ed una successiva breve ablazione a) di un bersaglio di tellururo di antimonio con purezza del 99,995% per introdurre atomi di antimonio nel film di tellururo di piombo ed ottenere un drogaggio di tipo-n (gli atomi di antimonio hanno la adeguata diffusività per drogare il film di tellururo di piombo); b) di un bersaglio di argento con purezza del 99,995% ed ottenere un drogaggio di tipo-p. Per ottenere la successione di elementi termoelettrici di tipo-p e di tipo-n e definire spazialmente la struttura del dispositivo (i.e. “patterning†), vengono utilizzate tecniche fotolitografiche abbinate a tecniche di dissoluzione chimica, come noto nei processi di fabbricazione in microelettronica.
In proposito, il modulo termoelettrico innovativo realizzato con gli elementi termoelettrici 7 in tellururo di piombo depositato in film sottile tramite tecnica PLD e/o tramite RF sputtering, come appena descritto, Ã ̈ utilizzabile anche indipendentemente dal modulo termoionico, ovvero per la realizzazione di un dispositivo convertitore puramente termoelettrico.
Il liquido di raffreddamento nel dissipatore 9 di calore à ̈ preferibilmente una soluzione di acqua deionizzata e glicole etilenico, preferibilmente in proporzione 50%-50%, allo scopo di prevenire formazione di residui solidi, dispersioni elettriche, e reazioni chimiche attivate dalla temperatura. Alternativamente, il liquido di raffreddamento può comprendere acqua demineralizzata.
Altre forme di realizzazione del dispositivo convertitore secondo l’invenzione possono comprendere, invece del dissipatore 9 di calore, un semplice scambiatore di calore opportunamente dimensionato.
Le Figure 2-4 mostrano una implementazione di una seconda preferita forma di realizzazione del dispositivo convertitore secondo l’invenzione, comprendente come contenitore di alloggiamento una flangia DN63CF (secondo lo standard ConFlat®, noto anche come standard CF) in acciaio inossidabile modificata come descritto nel seguito, indicata con il numero di riferimento 100, grazie alla quale il dispositivo risulta compatto e versatile, minimizzando le perdite ottiche con una distanza minima compresa tra 1,0 e 10,0 mm, preferibilmente pari a 5,0 mm, tra finestra 101 ed il complesso monolitico 102 dell’assorbitore e dell’emettitore termoionico e riducendo grandemente le dimensioni del dispositivo.
La finestra trasparente 101 può essere una lente in quarzo UV (UV-grade fused silica) e/o vetro e/o pyrex di spessore compreso tra 1,00 mm e 10,00 mm, preferibilmente pari a 5,00 mm, e di diametro variabile da 35,0 mm a 100,00 mm, preferibilmente pari a 50,0 mm. Un o-ring 103 di viton (eventualmente sostituito da o combinato con almeno una guarnizione di rame e/o di alluminio) à ̈ posizionato sotto la finestra 101 per garantire la tenuta del vuoto all’interno della flangia 100.
Un dissipatore 900 di calore comprende due componenti di rame separati e saldati insieme per formare una cavità in cui un liquido di raffreddamento fluisce per estrarre calore dalla finestra 101 e dalla parte frontale del dispositivo. Alternativamente, il dissipatore 900 di calore potrebbe comprendere un unico componente di rame o di alluminio provvisto di due o-ring (esterni all’o-ring 103 della finestra trasparente 101) per delimitare una cavità in cui fluisce il liquido di raffreddamento. Le connessioni 909 di ingresso e uscita per il liquido sono preferibilmente realizzate con connettori standard VCR® (disponibili dall’azienda Swagelok). La presenza del dissipatore 900 à ̈ necessaria per controllare l’aumento di temperatura della finestra 101 e nel caso di focalizzazione non ottimale della radiazione concentrata. Il dissipatore 900 à ̈ sagomato in modo da massimizzare la incidenza della radiazione solare sull’assorbitore: il foro passante che consente l’illuminazione à ̈ sagomato come un tronco di cono con le pareti interne aventi una inclinazione rispetto all’asse verticale del cono pari all’angolo di inclinazione del fascio di radiazione concentrato, che preferibilmente à ̈ pari a 45°.
La flangia 100 ha uno spessore di 24,0 mm ed à ̈ sagomata per alloggiare l’assorbitore ed i moduli termoionico e termoelettrico. Nella parte posteriore, la flangia 100 comprende tre (o, alternativamente, quattro) fori filettati 104 angolarmente equispaziati in cui si inseriscono corrispondenti viti 105 che fissano meccanicamente la parte attiva del dispositivo (i.e. assorbitore e moduli termoionico e termoelettrico) alla flangia 100. Nella parte anteriore, la flangia 100 comprende sei fori filettati 106 angolarmente equispaziati e corrispondenti ad altrettanti fori passanti 906 realizzati sul dissipatore 900, in cui si inseriscono corrispondenti viti 107 che fissano meccanicamente il dissipatore 900 alla flangia 100. Gli altri otto fori passanti 960, corrispondenti ad altrettanti fori passanti 1060 ricavati sulla flangia 100, hanno la funzione di ancorare tutto il sistema su un eventuale supporto mediante viti passanti non mostrate nelle Figure 2-4.
La flangia 100 Ã ̈ provvista di un alloggiamento per una guarnizione 111L di rame o di alluminio di supporto del modulo di conversione accoppiata ad un disco 111U di alluminio (o alternativamente di rame) provvisto di due connettori standard VCR® 119 per il circuito idraulico esterno del liquido di raffreddamento.
Una virola 108 in molibdeno opportunamente sagomata costituisce l’alloggiamento del complesso 102 assorbitore-emettitore termoionico. Il molibdeno garantisce un buon contatto termico ed elettrico con l’assorbitore ed una uscita elettrica termoionica à ̈ collegata al carico elettrico (che, sebbene non mostrato nelle Figure 2-4, à ̈ analogo a quello indicato in Figura 1a con il numero di riferimento 30) per mezzo di quattro viti 109 in molibdeno angolarmente equispaziate ed elettricamente in parallelo. Questa configurazione offre una elevata versatilità per differenti condizioni di lavoro del dispositivo, dato che à ̈ possibile scegliere il numero di viti 109 da connettere elettricamente al carico in modo da ottimizzare le perdite termiche dall’assorbitore (in combinazione con i passanti ceramici termicamente isolanti 110 descritti più avanti). Inoltre, questa configurazione rende il dispositivo compatto e robusto poiché l’integrazione della parte attiva del dispositivo alla guarnizione 111L-111U di rame di supporto risulta molto solida. Geometricamente, la sagoma della virola 108 presenta quattro ali cave che hanno la funzione di mantenere ottime condizioni di vuoto per il modulo termoionico.
Come detto in precedenza, l’assorbitore ha una sagoma a disco con uno spessore di 3,0 mm ed un diametro di 35,0 mm sulla superficie interna del quale à ̈ depositato un sottile strato di diamante CVD di qualche micrometro di spessore, formando un complesso monolitico 102.
Un distanziatore 112, realizzato in materiale termicamente refrattario ed elettricamente isolante (quale zirconia o allumina o vetroceramica MACOR®) mantiene l’emettitore termoionico del complesso 102 ed il collettore termoionico 5 separati dalla minima distanza possibile, preferibilmente inferiore a 100 micrometri. Anche il distanziatore 112 presenta tre (o quattro) ali cave per mantenere ottime condizioni di vuoto nello spazio inter-elettrodico 3.
Il collettore termoionico 5 à ̈ un disco di molibdeno di spessore 4,0 mm, in grado di ottenere una adeguata dissipazione di calore ad alte temperature per offrire al modulo termoelettrico un più ampio intervallo di protezione. Le superfici del collettore 5 sono preferibilmente lappate con polvere di diamante per ottenere una maggiore riflettanza alla radiazione da corpo nero proveniente dal complesso 102 assorbitore-emettitore termoionico e conseguentemente ridurre la sua temperatura di esercizio, oltre a massimizzare la conduzione termica verso il lato caldo del modulo termoelettrico. Il disco del collettore termoionico 5 comprende una spina 500 che si protende radialmente che à ̈ provvista di un foro passante per connettere elettricamente il collettore 5 al suo carico elettrico. La connessione elettrica à ̈ realizzata mediante un perno 113 di rame che attraversa la guarnizione 111L-111U tramite un passante cavo 114 di nitruro di boro o di vetroceramica MACOR® (se à ̈ necessario un elevato isolamento termico).
Il modulo termoelettrico 115 ha forma di parallelepipedo (sebbene alternativamente possa anche avere una forma cilindrica), avente base quadrata di dimensioni laterali 40×40 mm2 ed uno spessore variabile da 3,0 mm a 6,5 mm. La variazione di spessore può essere compensata utilizzando dei distanziatori metallici con viti di differenti lunghezze (non mostrati) nell’intervallo 3,0-5,5 mm per mantenere costante la distanza tra la finestra 101 e l’assorbitore del complesso 102.
La guarnizione di rame di supporto comprende, come detto, una parte inferiore 111L ed una parte superiore 111U che sono saldate insieme per formare una cavità interna in cui fluisce un liquido di raffreddamento, così realizzando il dissipatore 9 di calore schematizzato in Figura 1, per termostatare il lato freddo del modulo termoelettrico 115 alla massima temperatura di reiezione del calore. Alternativamente, le parti 111L e 111U possono essere accoppiate mediante due o-ring in viton che definiscono la cavità interna in cui fluisce il liquido di raffreddamento.
In particolare, la parte inferiore 111L della guarnizione di rame di supporto à ̈ provvista di un incavo centrale quadrato (di 1 mm di profondità ) per alloggiare il modulo termoelettrico 115 e per favorire la conduzione del calore dal lato freddo di quest’ultimo. La parte inferiore 111L della guarnizione à ̈ provvista di tre fori passanti 116 (visibili in Figura 5, che si riferisce ad una guarnizione di rame di supporto di una terza forma di realizzazione del dispositivo secondo l’invenzione che, tuttavia, pure comprende tali fori 116) per le connessioni elettriche, due dei quali dedicati al modulo termoelettrico 115 e che lo collegano al carico elettrico (che, sebbene non mostrato nelle Figure 2-4, à ̈ analogo a quello indicato in Figura 1a con il numero di riferimento 75) ed uno per il perno 113 del collettore termoionico 5. Inoltre, la parte inferiore 111L della guarnizione à ̈ altresì provvista di quattro fori 117 elettricamente schermati per le uscite del modulo termoionico provenienti dalla virola 108 (con la funzione di connessione elettrica e fissaggio della parte interna del modulo termoionico), e tre (o, alternativamente, quattro) fori 118 equispaziati per viti di fissaggio (con la funzione di bloccare la parte interna del dispositivo alla flangia 100); in particolare, la corta distanza tra la guarnizione 111L-111U ed i fori filettati 104 sulla flangia consente di ottenere una elevata stabilità meccanica. Tutte le connessioni elettriche che attraversano la guarnizione 111L-111U sono elettricamente isolate da passanti ceramici 110 (di cui in Figure 3 e 4 sono visibili solo quelli che passano nei fori 117) in nitruro di boro, che à ̈ un materiale che consente la conduzione termica.
Nel dispositivo di Figure 2-4, l’o-ring 103, la flangia 100, la virola 112 e la guarnizione 111L-111U di rame di supporto sono sigillate insieme tramite brasatura o altre tecniche convenzionali di sigillatura in condizioni di alto-vuoto o ultra-alto-vuoto.
Una guarnizione di rame di supporto di una terza forma di realizzazione del dispositivo secondo l’invenzione à ̈ mostrata in Figura 5, in cui il dispositivo à ̈ provvisto di un apparato di pompaggio aggiuntivo e la guarnizione à ̈ provvista di sei fori passanti 201, preferibilmente rettangolari, che consentono l’evacuazione dell’aria estratta da tale apparato di pompaggio. In Figura 5 sono meglio visibili anche gli altri fori passanti 116, 117, 118 e l’incavo 120 (di alloggiamento del modulo termoelettrico 115) presenti anche nella guarnizione 111L-111U di Figure 2-4.
Il dispositivo convertitore mostrato in Figure 2-5 à ̈ compatto, avendo un volume ridotto per minimizzare le perdite termiche e ottiche e per ridurre gli effetti di ombreggiamento ottico della radiazione solare non concentrata. Inoltre, esso consente una facile intercambiabilità dei componenti (in particolare del modulo termoelettrico 115), poiché ogni componente può essere facilmente montato e smontato favorendo una strategia di ottimizzazione continua delle prestazioni del dispositivo convertitore secondo l’invenzione. Ancora, il dispositivo risulta completamente scalabile nelle dimensioni rispetto a quelle illustrate con riferimento alle Figure 2-5. Infine, il dispositivo convertitore risulta meccanicamente robusto, grazie alla tecnica di fissaggio degli elementi attivi (i.e. il complesso 102 assorbitore-emettitore termoionico, il collettore termoionico 5, ed il modulo termoelettrico 115) alla flangia 100.
Come accennato, il dispositivo convertitore secondo l’invenzione potrebbe essere utilizzato vantaggiosamente anche in applicazioni aerospaziali. In tal caso, il dispositivo convertitore secondo l’invenzione può operare con elevatissima efficienza nelle condizioni di bassa o quasi nulla pressione tipiche delle applicazioni aerospaziali, i.e. in ambienti operativi al di fuori dell'atmosfera terrestre, in cui la condizione di vuoto per il funzionamento del modulo termoionico e del modulo termoelettrico à ̈ intrinseca all’applicazione stessa; in particolare, in una applicazione aerospaziale si potrebbe addirittura eliminare la presenza di un contenitore di alloggiamento provvisto di finestra all’interno del quale realizzare le condizioni di vuoto (essendo sostanzialmente sufficiente il montaggio su un supporto simile alla guarnizione 111L-111U mostrata nelle Figure 2-4), semplificando così il montaggio del dispositivo convertitore secondo l’invenzione. Di conseguenza, il contenitore di alloggiamento provvisto di finestra all’interno del quale realizzare le condizioni di vuoto non à ̈ una caratteristica essenziale del dispositivo convertitore secondo l’invenzione.
In quel che precede sono state descritte le preferite forme di realizzazione e sono state suggerite delle varianti della presente invenzione, ma à ̈ da intendersi che gli esperti del ramo potranno apportare modificazioni e cambiamenti senza con ciò uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate.
Claims (15)
- RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo convertitore per convertire energia da radiazione elettromagnetica, in particolare energia solare concentrata, in potenza elettrica, comprendente un emettitore termoionico (2) separato per uno spazio interelettrodico (3) da un collettore termoionico (5), l’emettitore termoionico (2) ed il collettore termoionico (5) essendo provvisti di mezzi (109, 110, 113, 114, 500) di collegamento elettrico configurati per essere collegabili ad un primo carico elettrico esterno (30) cui fornire potenza elettrica, il dispositivo convertitore essendo caratterizzato dal fatto di comprendere altresì un assorbitore (1) di radiazione elettromagnetica, configurato per trasformare energia di radiazione elettromagnetica in energia termica, avente una superficie esterna (10) configurata per essere esposta a radiazione elettromagnetica ed una superficie interna solidalmente accoppiata all’emettitore termoionico (2), la superficie esterna (10) essendo provvista di una struttura sub-micrometrica periodica superficiale, l’emettitore termoionico (2) essendo monoliticamente integrato su detta superficie interna dell’assorbitore (1), l’assorbitore (1) essendo realizzato in un materiale selezionato dal gruppo comprendente o consistente di: - materiali ceramici selezionati dal gruppo comprendente o consistente di: carburo di afnio (HfC), carburo di afnio (HfC) avente una percentuale di volume di siliciuro di molibdeno (MoSi2) inferiore al 40%, carburo di silicio (SiC), carburo di silicio (SiC) contenente additivi in una percentuale di volume inferiore al 20%, carburo di silicio (SiC) contenente additivi in una percentuale di volume inferiore al 20% e comprendente altresì siliciuro di molibdeno in una percentuale di volume variabile dal 20% al 40%, materiali ceramici a base di nitruro di alluminio (AlN) contenente additivi e contenente altresì una percentuale in volume di carburo di silicio variabile dal 5% al 25% ed una percentuale in volume di siliciuro di molibdeno variabile dal 20% al 40%, carburo di tantalio (TaC), materiale ceramico a base di carburo di tantalio (TaC), - metalli refrattari selezionati dal gruppo comprendente o consistente di molibdeno e tungsteno, - grafite pirolitica, l’emettitore termoionico (2) essendo realizzato in un materiale selezionato dal gruppo comprendente o consistente di: - diamante in film sottile di spessore inferiore a 25 micrometri depositato mediante deposizione chimica da vapore (CVD - Chemical Vapour Deposition), - diamante in film sottile di spessore inferiore a 25 micrometri depositato mediante CVD avente un drogaggio di tipo n, - diamante in film sottile di spessore inferiore a 25 micrometri depositato mediante CVD avente terminazione chimica superficiale con idrogeno monoatomico e/o deposizioni di zirconio e/o cesio, - diamante in film sottile di spessore inferiore a 25 micrometri depositato mediante CVD avente un drogaggio di tipo n ed avente terminazione chimica superficiale con idrogeno monoatomico e/o deposizioni di zirconio e/o cesio, - materiali ceramici in film sottile di spessore inferiore a 25 micrometri selezionati dal gruppo comprendente o consistente di: materiali ceramici a base di nitruro di titanio (TiN), materiali ceramici a base di siliciuro di molibdeno, materiali ceramici a base di carburi, materiali ceramici a base di boruri, - metalli refrattari in forma di film sottile con spessore non superiore ad 1 micrometro.
- 2. Dispositivo convertitore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l’assorbitore (1) à ̈ realizzato in un materiale ceramico selezionato dal gruppo comprendente o consistente di: carburo di afnio (HfC) avente una percentuale di volume di siliciuro di molibdeno (MoSi2) variabile dal 2% al 30%, preferibilmente variabile dal 3% al 20%, più preferibilmente variabile dal 4% al 10%, ancora più preferibilmente pari al 5%, carburo di silicio (SiC) contenente additivi in una percentuale di volume inferiore al 20%, gli additivi comprendendo o consistendo di ossido di alluminio (Al2O3) ed ossido di ittrio (Y2O3), in cui l’ossido di alluminio à ̈ preferibilmente variabile dal 3% al 9% in volume, più preferibilmente pari al 6% in volume, ed in cui l’ossido di ittrio à ̈ preferibilmente variabile dal 1% al 7% in volume, più preferibilmente pari al 4% in volume, carburo di silicio (SiC) contenente additivi in una percentuale di volume inferiore al 20%, gli additivi comprendendo o consistendo di ossido di alluminio (Al2O3) ed ossido di ittrio (Y2O3), e comprendente altresì siliciuro di molibdeno in una percentuale di volume variabile dal 20% al 40%, in cui l’ossido di alluminio à ̈ preferibilmente variabile dal 3% al 9% in volume, più preferibilmente pari al 6% in volume, ed in cui l’ossido di ittrio à ̈ preferibilmente variabile dal 1% al 7% in volume, più preferibilmente pari al 4% in volume, ed in cui il siliciuro di molibdeno à ̈ presente con una percentuale di volume preferibilmente variabile dal 25% al 35%, più preferibilmente pari al 30%, materiali ceramici a base di nitruro di alluminio (AlN) contenente additivi comprendenti o consistenti di ossido di ittrio con una percentuale in peso variabile dal 1% al 5%, preferibilmente variabile dal 1% al 3%, più preferibilmente pari al 2%, e contenente altresì una percentuale in volume di carburo di silicio variabile dal 5% al 25%, preferibilmente variabile dal 10% al 20%, più preferibilmente pari al 15%, ed una percentuale in volume di siliciuro di molibdeno variabile dal 20% al 40%, preferibilmente variabile dal 25% al 35%, più preferibilmente pari al 30%, materiale ceramico a base di carburo di tantalio (TaC) contenente additivi, preferibilmente comprendenti o consistenti di ossido di alluminio e/o ossido di ittrio, e/o siliciuro di molibdeno con una percentuale in volume di siliciuro di molibdeno variabile dal 20% al 40%, preferibilmente variabile dal 25% al 35%, più preferibilmente pari al 30%.
- 3. Dispositivo convertitore secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che l’emettitore termoionico (2) à ̈ realizzato in un materiale selezionato dal gruppo comprendente o consistente di: - diamante in film sottile di spessore inferiore a 10 micrometri, preferibilmente inferiore a 5 micrometri, più preferibilmente inferiore ad 1 micrometro, depositato mediante CVD, - diamante in film sottile di spessore inferiore a 25 micrometri, preferibilmente inferiore a 10 micrometri, più preferibilmente inferiore a 5 micrometri, ancora più preferibilmente inferiore ad 1 micrometro, depositato mediante CVD avente un drogaggio di tipo n con azoto, - diamante in film sottile di spessore inferiore a 10 micrometri, preferibilmente inferiore a 5 micrometri, più preferibilmente inferiore ad 1 micrometro, depositato mediante CVD avente terminazione chimica superficiale con idrogeno monoatomico e/o deposizioni di zirconio e/o cesio, - diamante in film sottile di spessore inferiore a 25 micrometri, preferibilmente inferiore a 10 micrometri, più preferibilmente inferiore a 5 micrometri, ancora più preferibilmente inferiore ad 1 micrometro, depositato mediante CVD avente un drogaggio di tipo n con azoto ed avente terminazione chimica superficiale con idrogeno monoatomico e/o deposizioni di zirconio e/o cesio, - materiali ceramici in film sottile di spessore inferiore a 25 micrometri a base di carburo di titanio (TiC) e/o di carburo di zirconio (ZrC) e/o di carburo di tungsteno (WC) e/o carburo di afnio (HfC), - materiali ceramici in film sottile di spessore inferiore a 25 micrometri a base di boruro di titanio (TiB2) e/o boruro di zirconio (ZrB2) e/o di esaboruro di lantanio (LaB6), - materiali ceramici in film sottile di spessore inferiore a 10 micrometri, preferibilmente inferiore a 5 micrometri, più preferibilmente inferiore ad 1 micrometro, selezionati dal gruppo comprendente o consistente di: materiali ceramici a base di nitruro di titanio (TiN), materiali ceramici a base di siliciuro di molibdeno, materiali ceramici a base di carburi, materiali ceramici a base di boruri, - metalli refrattari in forma di film sottile con spessore non superiore ad 1 micrometro, preferibilmente non superiore a 800 nanometri, più preferibilmente non superiore a 700 nanometri, ancora più preferibilmente non superiore a 600 nanometri, persino più preferibilmente non superiore a 500 nanometri, persino ancora più preferibilmente non superiore a 400 nanometri, selezionati dal gruppo comprendente o consistente di molibdeno e tungsteno.
- 4. Dispositivo convertitore secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che l’emettitore termoionico (2) à ̈ separato dal collettore termoionico (5) per una distanza inferiore ad 1 mm, preferibilmente inferiore a 100 micrometri, più preferibilmente inferiore a 10 micrometri, l’emettitore termoionico (2) essendo preferibilmente separato dal collettore termoionico (5) tramite uno o più distanziatori (4; 112) più preferibilmente realizzati in un materiale selezionato dal gruppo comprendente o consistente di zirconia, allumina, e vetroceramica MACOR®, il collettore termoionico 5 essendo preferibilmente realizzato in un materiale selezionato dal gruppo comprendente o consistente di molibdeno e tungsteno, più preferibilmente rivestito di cesio.
- 5. Dispositivo convertitore secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che l’assorbitore (1) à ̈ provvisto su una o più pareti laterali di uno strato di metallo refrattario, l’assorbitore 1 avendo preferibilmente una forma a disco, più preferibilmente avente diametro variabile da 30 mm a 50 mm e spessore variabile da 3 mm a 10 mm.
- 6. Dispositivo convertitore secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto di comprendere altresì un contenitore (15; 100) di alloggiamento, in cui sono alloggiati l’assorbitore (1), l’emettitore termoionico (2) ed il collettore termoionico (5), il contenitore (15; 100) di alloggiamento essendo provvisto di un foro passante chiuso da una finestra (101) configurata per trasmettere radiazione elettromagnetica che incide su di essa sulla superficie esterna (10) dell’assorbitore (1), il contenitore (15; 100) di alloggiamento essendo configurato per mantenere condizioni di vuoto al suo interno, preferibilmente tali che una pressione interna al contenitore (15; 100) di alloggiamento à ̈ inferiore a 10-5 mbar, detto foro passante essendo sagomato secondo un tronco di cono con pareti interne aventi una inclinazione rispetto ad un asse verticale del tronco di cono preferibilmente pari a 45°, il dispositivo convertitore preferibilmente comprendendo altresì un apparato di pompaggio collegato tramite mezzi (201) di collegamento idraulico al contenitore (15; 100) di alloggiamento, una distanza tra la finestra (101) e la superficie esterna (10) dell’assorbitore (1) essendo preferibilmente variabile tra 1,0 mm e 10,0 mm, più preferibilmente pari a 5,0 mm, il dispositivo convertitore preferibilmente comprendendo altresì un dissipatore attivo frontale (900) di calore comprendente almeno una cavità provvista di mezzi (909) di collegamento idraulico configurati per ricevere un flusso di un liquido di raffreddamento per estrarre calore dalla finestra (101), il liquido di raffreddamento preferibilmente comprendendo una soluzione di acqua deionizzata e glicole etilenico, più preferibilmente in proporzione 50%-50%, o acqua demineralizzata, una superficie interna del contenitore (15; 100) di alloggiamento essendo preferibilmente rivestita di uno strato di materiale riflettente l’infrarosso.
- 7. Dispositivo convertitore secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto di comprendere altresì un modulo termoelettrico (115) comprendente un primo strato (6) configurato per operare quale lato caldo del modulo termoelettrico (115), il primo strato (6) essendo solidalmente accoppiato ad una pluralità di elementi termoelettrici (7) provvisti di piste (70) di interconnessione, la pluralità di elementi termoelettrici (7) essendo a sua volta solidalmente accoppiata ad un secondo strato (8) configurato per operare quale lato freddo del modulo termoelettrico (115), il collettore termoionico (5) essendo solidalmente accoppiato al primo strato (6), il modulo termoelettrico (115) essendo provvisto di mezzi (116) di collegamento elettrico configurati per essere collegabili ad un secondo carico elettrico esterno (75) cui fornire potenza elettrica, il primo strato (6) ed il secondo strato (8) essendo ognuno preferibilmente realizzato in un materiale ceramico, più preferibilmente diamante depositato mediante CVD o nitruro di alluminio depositato tramite serigrafia (screen printing) o rivestimento geopolimerico, gli elementi termoelettrici (7) essendo preferibilmente selezionati nel gruppo comprendente elementi a semiconduttore e coppie di elementi realizzati in metalli con differente funzione lavoro, gli elementi termoelettrici (7) essendo più preferibilmente realizzati in un materiale selezionato dal gruppo comprendente o consistente di: - un materiale a base di tellururo di bismuto (Bi2Te3) e tellururo di antimonio (Sb2Te), - un materiale a base di tellururo di piombo (PbTe), - un materiale a base di lega germaniuro di silicio (SiGe), - un materiale a base di titanati e/o lantanati di bario e stronzio drogati, - un materiale a base di carburi e/o boruri, - un materiale a base di carburo di silicio e/o silicio-carburo di silicio, - un materiale a base di carburo di boro-boruro di titanio (B4C-TiB2), - un materiale composito metallo-ceramico, gli elementi termoelettrici (7) essendo ancora più preferibilmente realizzati in tellururo di piombo in film sottile e drogato di tipo-n tramite tellururo di antimonio e drogato di tipo-p mediante argento.
- 8. Dispositivo convertitore secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto di comprendere altresì mezzi posteriori di dissipazione di calore solidalmente accoppiati al secondo strato (8) del modulo termoelettrico (115) e configurati per estrarre calore dal secondo strato (8) del modulo termoelettrico (115), detti mezzi di dissipazione di calore essendo selezionati dal gruppo consistente di: - un dissipatore attivo posteriore (9) di calore comprendente almeno una cavità provvista di mezzi (90, 91) di collegamento idraulico configurati per ricevere un flusso di un liquido di raffreddamento per termostatare il secondo strato (8) del modulo termoelettrico (115), il liquido di raffreddamento preferibilmente comprendendo una soluzione di acqua deionizzata e glicole etilenico, più preferibilmente in proporzione 50%-50%, o acqua demineralizzata, - uno scambiatore passivo di calore.
- 9. Procedimento di microfabbricazione di un dispositivo convertitore per convertire energia da radiazione elettromagnetica, in particolare energia solare concentrata, in potenza elettrica, caratterizzato da fatto che il dispositivo convertitore à ̈ il dispositivo convertitore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 8, per cui il dispositivo convertitore comprende un assorbitore (1) di radiazione elettromagnetica, avente una superficie esterna (10) configurata per essere esposta a radiazione elettromagnetica ed una superficie interna e provvista di una struttura sub-micrometrica periodica superficiale, ed un emettitore termoionico (2) ed un collettore termoionico (5), e dal fatto che il procedimento comprende le fasi di: A. avere a disposizione l’assorbitore (1), B. depositare su detta superficie interna dell’assorbitore (1) il materiale in cui à ̈ realizzato l’emettitore termoionico (2), per cui al termine della fase B l’emettitore termoionico (2) à ̈ monoliticamente integrato su detta superficie interna dell’assorbitore (1), C. realizzare la struttura sub-micrometrica periodica superficiale per mezzo di un trattamento della superficie esterna (10) dell’assorbitore (1) tramite laser al femtosecondo, per cui un fascio laser colpisce direttamente la superficie esterna (10) dell’assorbitore (1).
- 10. Procedimento secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che la fase C viene effettuata con: - lunghezza d’onda del laser compresa tra 200 e 1000 nanometri, preferibilmente tra 550 e 800 nanometri; - durata del singolo impulso laser compreso tra 10 e 100 femtosecondi; - incidenza del fascio laser con un angolo rispetto ad una normale alla superficie esterna (10) dell’assorbitore (1) compreso tra 0° e 60°, preferibilmente con incidenza ortogonale alla superficie esterna (10) dell’assorbitore (1), i.e. con un angolo rispetto alla normale alla superficie esterna (10) dell’assorbitore (1) pari a 0°; - energia dell’impulso laser variabile nell’intervallo 0,01 - 5,00 mJ/impulso, preferibilmente nell’intervallo 0,2 – 2,0 mJ/impulso; - punto di messa a fuoco avente diametro variabile da 5 Î1⁄4m ad 1 mm, preferibilmente variabile da 100 Î1⁄4m a 0,5 mm; - velocità di una piastra di traslazione su cui à ̈ montato l’assorbitore (1) la cui superficie esterna (10) viene trattata al di sotto del fascio laser variabile nell’intervallo 0,01 – 100,00 cm/s, preferibilmente nell’intervallo 0,2 – 3,0 cm/s.
- 11. Procedimento secondo la rivendicazione 9 o 10, caratterizzato dal fatto che, dopo la fase A, viene eseguita la seguente fase: D. depositare uno strato di metallo refrattario su una o più pareti laterali dell’assorbitore (1).
- 12. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 9 a 11, caratterizzato dal fatto che la fase B comprende la seguente sotto-fase: B.1 depositare diamante mediante CVD in film sottile di spessore inferiore a 25 micrometri su detta superficie interna dell’assorbitore (1), preferibilmente mediante CVD a microonde oppure mediante CVD a filamento caldo, avendo metano ed idrogeno quali gas precursori, il rapporto dei gas precursori metano-a-idrogeno variando da 0,05% a 5%, essendo preferibilmente pari a 1%, per cui l’emettitore termoionico (2) à ̈ realizzato in un materiale selezionato dal gruppo comprendente o consistente di: - diamante in film sottile di spessore inferiore a 25 micrometri depositato mediante CVD, - diamante in film sottile di spessore inferiore a 25 micrometri depositato mediante CVD avente un drogaggio di tipo n, - diamante in film sottile di spessore inferiore a 25 micrometri depositato mediante CVD avente terminazione chimica superficiale con idrogeno monoatomico e/o deposizioni di zirconio e/o cesio, - diamante in film sottile di spessore inferiore a 25 micrometri depositato mediante CVD avente un drogaggio di tipo n ed avente terminazione chimica superficiale con idrogeno monoatomico e/o deposizioni di zirconio e/o cesio, in cui preferibilmente la sotto-fase B.1 à ̈ effettuata in un reattore CVD avente una atmosfera in cui à ̈ introdotto un gas di azoto, per cui l’emettitore termoionico (2) à ̈ preferibilmente realizzato in un materiale selezionato dal gruppo comprendente o consistente di: - diamante in film sottile di spessore inferiore a 25 micrometri depositato mediante CVD avente un drogaggio di tipo n, - diamante in film sottile di spessore inferiore a 25 micrometri depositato mediante CVD avente un drogaggio di tipo n ed avente terminazione chimica superficiale con idrogeno monoatomico e/o deposizioni di zirconio e/o cesio, la fase B preferibilmente comprendendo altresì, dopo la sotto-fase B.1, la seguente sotto-fase: B.2 esporre il film sottile di diamante ottenuto dalla fase B.1. a plasma di idrogeno in modo tale da far attaccare uno strato monoatomico di idrogeno su una superficie del diamante, per cui l’emettitore termoionico (2) à ̈ preferibilmente realizzato in un materiale selezionato dal gruppo comprendente o consistente di: - diamante in film sottile di spessore inferiore a 25 micrometri depositato mediante CVD avente terminazione chimica superficiale con idrogeno monoatomico e/o deposizioni di zirconio e/o cesio, - diamante in film sottile di spessore inferiore a 25 micrometri depositato mediante CVD avente un drogaggio di tipo n ed avente terminazione chimica superficiale con idrogeno monoatomico e/o deposizioni di zirconio e/o cesio.
- 13. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 9 a 11, caratterizzato dal fatto che la fase B comprende la seguente sotto-fase: B.3 depositare esaboruro di lantanio (LaB6) mediante deposizione fisica da vapore (PVD - Physical Vapour Deposition), preferibilmente seguita da un trattamento di una superficie dell’emettitore termoionico (2) tramite laser al femtosecondo, e/o mediante deposizione a laser impulsato (PLD -Pulsed Laser Deposition), e/o mediante tecnica di spruzzamento catodico a radiofrequenza (RF sputtering) su detta superficie interna dell’assorbitore (1), per cui l’emettitore termoionico (2) à ̈ realizzato in esaboruro di lantanio (LaB6), preferibilmente nanostrutturato, in film sottile di spessore inferiore a 25 micrometri, preferibilmente non superiore a 1 micrometro, più preferibilmente non superiore a 800 nanometri, ancora più preferibilmente non superiore a 700 nanometri, persino più preferibilmente non superiore a 600 nanometri, persino ancora più preferibilmente non superiore a 500 nanometri, ancora persino più preferibilmente non superiore a 400 nanometri.
- 14. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 9 a 13, caratterizzato dal fatto di comprendere altresì, dopo la fase C, la seguente fase: E. realizzare sul collettore termoionico (5) un primo strato (6), configurato per operare quale lato caldo di un modulo termoelettrico (115), in un materiale ceramico selezionato tra diamante depositato mediante CVD o nitruro di alluminio depositato tramite serigrafia (screen printing) o rivestimento geopolimerico, per cui il dispositivo convertitore à ̈ il dispositivo convertitore secondo la rivendicazione 7.
- 15. Procedimento secondo la rivendicazione 14, caratterizzato dal fatto di comprendere altresì, dopo la fase E, la seguente fase: F. depositare selettivamente sul primo strato (6) ottenuto dalla fase E tramite PVD una pluralità di elementi termoelettrici (7) in materiale a base di carburi e/o boruri elettroconduttivi, oppure la seguente fase: G. depositare sul primo strato (6) ottenuto dalla fase E tramite PLD e/o tramite RF sputtering un film sottile di tellururo di piombo a temperature maggiori di 300 °C e minori di 700 °C, preferibilmente comprese tra 400°C e 550 °C, il film sottile di tellururo di piombo essendo selettivamente drogato di tipo-n tramite una successiva deposizione di tellururo di antimonio ed essendo selettivamente drogato di tipo-p mediante successiva deposizione di argento, il film sottile di tellururo di piombo spazialmente definito secondo una configurazione di elementi termoelettrici (7), la deposizione tramite PLD e/o tramite RF sputtering comprendendo preferibilmente le seguenti sottofasi: G.1. depositare tellururo di piombo a partire dall’ablazione di un bersaglio di tellururo monocristallino o policristallino con purezza del 99,995%, G.2 effettuare una ablazione di un bersaglio di tellururo di antimonio con purezza del 99,995% per introdurre selettivamente atomi di antimonio nel film sottile di tellururo di piombo ottenuto nella sottofase G.1 ed ottenere un drogaggio di tipo-n, G.3 effettuare una ablazione di un bersaglio di argento con purezza del 99,995% per introdurre selettivamente atomi di argento ed ottenere un drogaggio di tipo-p, G.4 definire spazialmente il film sottile di tellururo di piombo drogato ottenuto dalle sottofasi G.1-G.3 mediante tecniche fotolitografi che combinate con tecniche di dissoluzione chimica per ottenere la configurazione di elementi termoelettrici (7), il procedimento preferibilmente comprendendo altresì, dopo la fase F o G, la seguente fase: H. realizzare un secondo strato (8), configurato per operare quale lato freddo del modulo termoelettrico (115), in un materiale ceramico selezionato tra diamante depositato mediante CVD o nitruro di alluminio depositato tramite serigrafia (screen printing) o rivestimento geopolimerico.
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