La conversione di energia solare può rappresentare una risposta alle attuali sfide energetiche e ambientali.
di Luca Longo
I leader mondiali riuniti in COP 21 hanno concluso l’Anno Internazionale della Luce con un impegno a compiere azioni sostanziali contro il cambiamento climatico.
La conversione di energia solare può rappresentare una risposta alle attuali sfide energetiche e ambientali. È interessante notare che la luce del Sole che colpisce la Terra in un’ora, fornisca più energia di quella consumata da tutto il Pianeta in un anno intero.
Ispirati alla natura, gli scienziati dei materiali lavorano per la scoperta e lo sviluppo di nuovi materiali e dispositivi in grado di catturare la luce del Sole per produrre energia pulita, rinnovabile e compatibile con l’ambiente.
Materiali ecocompatibili rappresentano infatti un elemento cruciale per il miglioramento delle prestazioni in una serie di importanti tecnologie energetiche e ambientali in applicazioni come il fotovoltaico, la fotocatalisi, la fotosintesi artificiale e la fotoscissione dell’acqua.
In questo contesto, non è sorprendente che il premio Eni 2015 “Debutto nella Ricerca” sia stato assegnato a ricerche su materiali fotoattivi utilizzabili nella cattura della radiazione solare per la generazione di energia e il fotorimedio ambientale.
Margherita Maiuri, borsista post-dottorato presso la Princeton University, e Daniela Meroni, borsista post-dottorato presso l’Università di Milano – vincitrici dell’edizione 2015 del Premio Eni destinato a giovani ricercatori sotto i 30 anni – hanno pubblicato un editoriale sulla rivista ” Chemistry of Materials“. Qui sottolineano che la luce non è solo l’evento scatenante che consente a questi materiali di operare, ma rappresenta anche uno strumento versatile e potente per comprendere i principi di funzionamento di questi sistemi.
Tra gli innumerevoli strumenti di caratterizzazione a base di luce che vengono abitualmente utilizzati dagli scienziati dei materiali, le vincitrici mostrano come tecniche ottiche avanzate abbiano portato ad acquisire una conoscenza diretta nello studio dei materiali più innovativi nella raccolta di luce artificiale, nel fotovoltaico e nella fotocatalisi.
Lo studio del processo di cattura della luce nella fotosintesi mediante spettroscopia pump-probe ultraveloce rappresenta un primo esempio in cui la luce può essere vista sia come causa primaria di questo fenomeno sia come strumento essenziale per avere informazioni sulla dinamica del processo che permette la vita fisica sulla Terra. Organismi fotosintetici si basano su sofisticati complessi pigmento-proteina che raccolgono la luce solare ad altissima resa di conversione fotone-separazione di carica (maggiori del 95%), trasferendo l’eccitazione dal donatore ai siti accettori in tempi ultraveloci (da centinaia di femtosecondi a picosecondi).
La sintesi chimica ha reso possibile lo sviluppo di complessi molecolari artificiali che imitano molti degli efficienti meccanismi naturali di cattura della luce. Lo studio dei processi di trasferimento di energia in questi complessi artificiali fotosintetici può aumentare la comprensione del loro principio di funzionamento, portando alla modellazione intelligente di nuovi materiali organici dedicati alle tecnologie di conversione dell’energia solare.
Il settore fotovoltaico offre altri esempi molto interessanti di come spettroscopie ultraveloci offrano spunti per la progettazione di nuovi materiali. Recentemente, un nuovo modello di celle solari, basate su materiali misti organici-inorganici costituiti da perovskite accoppiata con ioduri di piombo, come CH3NH3PbI3, hanno catturato l’attenzione della comunità scientifica grazie ad un aumento dell’efficienza senza precedenti (sono stati certificati valori superiori al 20%).
La versatilità della spettroscopia ottica ultraveloce ha ampliato la gamma di applicazioni anche ai semiconduttori inorganici, come gli ossidi fotoattivi dei quali il TiO2 è il capostipite. Questi materiali sono stati progettati come fotocatalizzatori per la scissione dell’acqua e per il risanamento ambientale basato sulla fotoossidazione e fotodegradazione degli inquinanti organici.
L’Anno Internazionale della Luce ha aumentato la consapevolezza dei molteplici ruoli svolti dalle tecnologie incentrate sulla luce e sull’ottica. Maiuri e Meroni hanno stimolato l’interesse dei ricercatori su spettroscopie ottiche avanzate mostrando come queste tecniche abbiano recentemente promosso progressi cruciali nella comprensione dei materiali fotoattivi e delle tecniche per catturare energia pulita a prezzi accessibili.
(sa)
