Dalla Luce al Calore: in Cina raggiunto un livello di efficienza del 67% che apre una nuova via all’energia

Gli scienziati hanno sviluppato una nuova classe di cocristalli fototermici organici che aumentano significativamente l’efficienza dei generatori termoelettrici solari (STEG), aprendo la strada a dispositivi elettronici indossabili più intelligenti, dispositivi energetici di nuova generazione e trasmissione di segnali a lunga distanza. Uno STEG è un generatore in grado di convertire la luce solare in calore, poi utilizzabile per altre finalità.

Grazie alle recenti ricerche che hanno portato a importanti progressi nel campo dei generatori termoelettrici solari (STEG), i materiali fototermici, come i composti a base di carbonio, gli ossidi metallici, i polimeri e i materiali a cambiamento di fase, sono emersi come soluzioni promettenti per generare i gradienti di temperatura essenziali per una conversione efficiente dell’energia.

Ora, un team di ricerca composto da scienziati dell’Università di Nanchang, dell’Università di Soochow e dell’Università di Nanchino in Cina ha compiuto un enorme balzo in avanti utilizzando il radicale a guscio aperto Br2NDA come accettore di elettroni per progettare e sintetizzare un cocristallo fototermico a trasferimento di carica, il coronene-Br2NDA (CBC). Un cocristallo è la combinazione di due molecole diverse che però vengono a comporre una singola struttura cristallina, un composto normalmente sviluppato per il settore farmaceutico.

Quando combinati, il coronene e il Br₂NDA si autoassemblano in microbastoncini aghiformi attraverso un semplice metodo basato su una soluzione, formando una struttura altamente cristallina con eccezionali capacità di assorbimento della luce e conversione del calore.

Struttura chimica del Coronene (da ResearchGate)

Eccezionali prestazioni fototermiche

Secondo Sheng Zhuo, dottorando in scienze dei materiali all’Università di Nanchino e autore principale dello studio, il cocristallo CBC ha raggiunto i 186,6 gradi Fahrenheit (86 gradi Celsius) in pochi secondi sotto una luce nel vicino infrarosso a 808 nanometri.

Ha inoltre raggiunto un’efficienza di conversione fototermica (PCE) del 67,2%, superando molti materiali fototermici organici precedentemente riportati, dimostrando al contempo un’eccellente stabilità termica e prestazioni costanti durante ripetuti cicli di riscaldamento e raffreddamento.

“Una serie di analisi sofisticate, tra cui la diffrazione dei raggi X (XRD), la diffrazione elettronica in area selezionata (SAED), l’assorbimento UV-Vis, la fotoluminescenza (PL), la trasformata di Fourier nell’infrarosso (FT-IR) e la risonanza magnetica nucleare allo stato solido (NMR), hanno fornito prove convincenti della forte interazione di trasferimento di carica (CT) tra COR e Br₂NDA”, affermano i ricercatori.

Progettazione e sintesi di cocristalli fototermici radicali organici per generatori termoelettrici solari.
Crediti: Di Sheng Zhuo, Yu Dong Zhao et al.

Nel frattempo, un’analisi approfondita del comportamento del cocristallo ha rivelato forti interazioni di trasferimento di carica tra i suoi componenti. Il team ha scoperto che assorbiva la luce in un ampio spettro (350-1100 nanometri), mostrava un marcato spostamento verso il rosso rispetto alle sue singole parti ed esibiva un spegnimento della fotoluminescenza quasi completo, un segno rivelatore di efficienti transizioni di energia non radiativa.

“Sotto irradiazione laser a 808 nm a 0,367 W cm^-2, il cocristallo preparato ha raggiunto una temperatura di equilibrio di 86 gradi Celsius in pochi secondi”, rivelano gli scienziati. ‘Il PCE del 67,2% è stato calcolato utilizzando un metodo affidabile, superando molti materiali fototermici organici precedentemente riportati’.

Potenziali applicazioni

Per testarne le applicazioni nel mondo reale, i ricercatori hanno incorporato il cocristallo CBC in una resina trasparente per formare un inchiostro fototermico, che è stato poi applicato alla superficie di un generatore termoelettrico.

E sono rimasti sbalorditi quando, sotto un’irradiazione solare simulata equivalente a 2 soli, il generatore rivestito con CBC ha raggiunto una temperatura di 158,54 gradi Fahrenheit (70,3 gradi Celsius) e ha fornito una tensione di uscita di 209 mV, con un aumento del 375% rispetto a un generatore non rivestito.

Il dispositivo ha anche mostrato risultati promettenti nella comunicazione basata sulla luce. Modulando l’intensità e la durata di un raggio laser, i ricercatori hanno dimostrato la capacità di inviare segnali codificati, come il codice Morse, attraverso la luce nel vicino infrarosso (NIR). Ciò suggerisce potenziali utilizzi nella trasmissione di dati senza contatto, nei sistemi di crittografia indossabili e nell’elettronica adattiva.

I ricercatori ritengono che questa scoperta abbia un potenziale che va ben oltre il laboratorio. Con un semplice processo di sintesi e prestazioni termiche ed elettroniche eccezionali, questa tecnologia offre un percorso scalabile ed economico per integrare materiali organici nei sistemi termoelettrici solari di prossima generazione.

Con la continua crescita della domanda di sistemi energetici off-grid, indossabili e intelligenti, i ricercatori sottolineano che i cocristalli fototermici radicali come il CBC potrebbero svolgere un ruolo fondamentale nella trasformazione della luce in energia e dell’energia in un’infinità di usi. Immaginiamo anche abiti in grado dis  caldarsi da soli se esposti al sole, ad esempio, oltre a sistemi di generazione elettrica basati non sul votovoltaico, ma su sistemi termici.

Lo studio è stato pubblicato sulla rivista National Science Review.

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