Questa ricerca è orientata alla progettazione, la realizzazione e la verifica sperimentale delle proprietà ottiche, termiche ed elettriche di dispositivi fotonici per applicazioni energetiche basati su metamateriali e materiali stratificati nanostrutturati. Verranno progettati coating assorbenti innovativi per ottimizzare l¿efficientamento energetico dei collettori solari nei pannelli solari termici, e di coating nanostrutturati trasparenti conduttivi per ottimizzare le prestazioni elettriche delle celle fotovoltaiche. I dispositivi saranno realizzati da alcuni partner R&D leader nel campo energetico (Universita di Tampere, Optoelectronic Research Center in Finlandia, ENEA, centro di eccellenza di nanofotonica ENSAMBLE3), e verranno testati nel laboratorio Fotoacustico e Fototermico del Dipartimento SBAI di Sapienza mediante la tecnica fotoacustica e la radiometria fototermica per determinare quantitativamente, con un unico apparato sperimentale, l'efficienza quantica della cella, le perdite di carico termico, ed i parametri del trasporto termico e plasmonico nella cella (diffusività termica ed elettronica, tempi di ricombinazione dei portatori, rivelazione e ricostruzione della posizione interna degli hot spot) in funzione della resistenza di carico della cella. I risultati della ricerca permetteranno da un lato di progettare nuove strutture con materiali nansotrutturati per le celle, dall'altro di validare le tecniche fotoacustiche come nuovo strumento per il controllo di qualità dei parametri termici ed elettronici della cella.
Come sottolineato in precedenza, la ricerca scientifica nel campo della fotonica e delle celle solari è da tempo rivolta alla realizzazione di nanostrutture di alta qualità in grado di confinare campi ottici migliorando la risposta elettromagnetica alla nanoscala per alla fine aumentare le prestazioni delle celle solari.
L'innovatività della ricerca proposta è appunto in una semplice rivelazione della qualità e dell'efficienza dei rivestimenti e delle celle solari al variare dei parametri geometrici delle strutture stesse, con un metodo senza contatto che sfrutta l¿effetto fotoacustico. Il risultato del progetto sarà quello di dimostrare che la tecnica PA può essere utilizzata come una tecnica di caratterizzazione semplice affidabile e a basso costo per e la misura dei parametri di trasporto termico ed elettrico nelle celle solari.
Più nel dettaglio questo progetto trarrà vantaggio dalla combinazione di tre competenze dei gruppi di lavoro: la combinazione di simulazioni ottiche, termiche ed elettriche sulle nanostrutture, la fabbricazione a basso costo ed una caratterizzazione dell'assorbimento e delle proprietà fotovoltaiche delle strutture con tecniche fotoacustiche.
In primo luogo, la modellizzazione teorica che include la distribuzione dell'assorbimento, la generazione termica e la densità della corrente verrà eseguita in parallelo e ottimizzata per i materiali che verranno progettati e successivamente realizzati. Ad esempio, gli assorbitori di nanofili per celle solari sdi GaAs saranno progettati seguendo lo standard di fabbricazione dell¿Università di Tampere. Va sottolineato che è stato già dimostrato sia teoricamente che sperimentalmente (mediante spettroscopia fotoacustica) che i GaAs based NW mostrano modalità di assorbimento risonante nel dominio visibile e nel vicino infrarosso [1]. Per ottimizzare tali NW sullo spettro solare, sarà necessario ridisegnare la struttura dei NW rispetto alle possibilità di fabbricazione. In campioni dove la distribuzione dei NW è randomica (densità inferiore a 1 NW / micron ^ 2), i NW vicini non interagiscono tra loro, ciò significando che i NW appositamente progettati per avere diametri diversi, supporteranno diverse modalità di risonanza. Nel segnale di assorbimento complessivo del campione, queste modalità risonanti di alto assorbimento si sovrappongono allo spettro solare, portando ad un elevato assorbimento risonante su tutto lo spettro. Inoltre, queste modalità non dipendono in modo significativo dall'angolo di incidenza. Pertanto, le strutture NW potranno essere ottimizzate per supportare un elevato assorbimento su tutto lo spettro solare, e questo sarà fatto mediante simulazioni FDTD. Questi parametri ottimizzati entreranno quindi nelle simulazioni CHARGE DEVICE al fine di mostrare l'effettiva distribuzione della carica a seguito dell'assorbimento. A questo punto, sarà possibile accedere al riscaldamento del campione anche mediante simulazioni THERMAL DEVICE. L¿importanza di tutte le simulazioni è che forniranno un feedback alla simulazione FDTD iniziale al fine di modificare le dimensioni dei NW, poiché è necessario ottimizzare il risultato finale, Una volta completate le simulazioni, si troveranno le dimensioni ottimizzate per la fabbricazione, che verranno poi misurate con le tecniche fotoacustiche.
[1] G. Leahu, et al. Scientific Reports (2017)