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Il fotovoltaico potrebbe essere sul punto di cambiare radicalmente, e stavolta non si parla di pannelli più grandi o materiali più economici. Un gruppo di ricercatori dell'Università di Kyushu ha pubblicato uno studio sul Journal of the American Chemical Society che mette in discussione quelli che, fino a ieri, sembravano limiti fisici invalicabili. Il punto centrale? Un meccanismo chiamato fissione di singoletto, capace di estrarre il doppio dell'energia da un singolo fotone senza generare le solite dispersioni di calore che affliggono le celle solari tradizionali. Per capire quanto questa cosa sia rilevante, vale la pena fare un passo indietro. Le celle solari convenzionali operano entro un tetto di efficienza teorica noto come limite di Shockley–Queisser, che si aggira intorno al 33% per dispositivi a singola giunzione. Detto in modo semplice: gran parte dell'energia contenuta nella luce solare viene sprecata sotto forma di calore, e non c'è molto che la tecnologia attuale possa farci. Oppure non c'era, fino a questo studio. Come funziona la fissione di singoletto e perché cambia le regole del gioco La fissione di singoletto è un processo in cui un singolo fotone ad alta energia, quando viene assorbito da una molecola, genera due stati eccitati anziché uno solo. In pratica, da un fotone si ottengono due "pacchetti" di energia utilizzabile. Il problema, storicamente, era che questo meccanismo funzionava solo in condizioni molto specifiche e con molecole che tendevano comunque a dissipare parte dell'energia in modi non utili. Il team giapponese ha lavorato su molecole spin-flip, ovvero strutture molecolari progettate per manipolare lo stato di spin degli elettroni durante il processo di assorbimento della luce. Cambiando l'orientamento dello spin in modo controllato, queste molecole riescono a completare la fissione di singoletto con un'efficienza straordinariamente alta, riducendo quasi a zero le perdite termiche che normalmente accompagnano la conversione energetica. È un risultato che sulla carta sembra quasi troppo bello. Eppure i dati sperimentali parlano chiaro: le molecole testate hanno dimostrato la capacità di generare due eccitoni di tripletto a partire da un singolo eccitone di singoletto, con rendimenti prossimi al 200% in termini di resa quantica. Non significa che si viola qualche legge della termodinamica, sia chiaro. Significa che l'energia del fotone viene suddivisa in modo molto più intelligente. Cosa potrebbe significare per il settore dell'energia solare Se questa tecnologia dovesse trovare applicazione nei pannelli solari commerciali, le implicazioni sarebbero enormi. Superare il limite di Shockley–Queisser è da decenni il sogno di chi lavora nel fotovoltaico, e le molecole spin-flip rappresentano una delle strade più concrete emerse negli ultimi anni per riuscirci davvero. Il gruppo di ricerca ha sottolineato che il passo successivo sarà integrare queste molecole in architetture di celle solari reali, per verificare se i risultati ottenuti in laboratorio si traducono in guadagni misurabili anche su scala più ampia. Restano da affrontare sfide legate alla stabilità delle molecole nel tempo e alla compatibilità con i materiali già utilizzati nell'industria del fotovoltaico. Lo studio ha anche evidenziato come la manipolazione dello spin elettronico apra prospettive che vanno oltre il solare: dispositivi optoelettronici, sensori avanzati e persino applicazioni nel campo del computing quantistico potrebbero beneficiare di questo tipo di controllo molecolare. Il lavoro dell'Università di Kyushu, per ora, resta confinato alla ricerca di base, ma la direzione tracciata è piuttosto chiara.

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Fotovoltaico: le molecole spin-flip che potrebbero raddoppiare l’energia solare