Nuovi dispositivi termoelettrici in silicio per la produzione di energia

Lug 03 2020
a cura della Redazione

Le Università di Pisa e di Milano-Bicocca hanno pubblicato uno studio congiunto che dimostra la possibilità di convertire in modo diretto il calore in elettricità a basso costo e ad alta efficienza. Una ricerca innovativa che punta all’industria 4.0 e ad applicazioni in ambito biomedicale.

Da destra: Giovanni Pennelli, Elisabetta Dimaggio e Shaimaa Elyamny. (Foto da: Università di Pisa)

dispositivi termoelettrici silicio

dispositivi termoelettrici silicio

dispositivi termoelettrici silicio
Da destra: Giovanni Pennelli, Elisabetta Dimaggio e Shaimaa Elyamny. (Foto da: Università di Pisa)

Il laboratorio di Nanotecnologie del Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione dell’Università di Pisa e l’Università di Milano-Bicocca hanno collaborato allo studio intitolato “High power thermoelectric generator based on vertical silicon nanowires”, pubblicato poi sulla rivista NanoLetters, il quale si focalizza sullo sviluppo di nuovi dispositivi termoelettrici nanostrutturati in silicio che permetteranno la conversione diretta del calore in elettricità a basso costo e ad alte performance. In particolare, lo studio dimostra la possibilità di generare potenze elettriche molto elevate su differenze di temperatura di meno di 20°C.

Il professor Giovanni Pennelli, docente di elettronica al Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione e coordinatore del Laboratorio di Nanotecnologie, ha spiegato: “I dispositivi termoelettrici servono per convertire il calore in energia elettrica in modo affidabile e durevole. Tuttavia, quelli in uso fino ad ora hanno costi elevatissimi, che derivano soprattutto dal materiale usato per costruirli, che è il tellurio, un minerale rarissimo e molto tossico. Nonostante le potenzialità quindi, hanno avuto fino a ora un campo di impiego estremamente limitato. Pensiamo però a quello che cambierebbe nel sistema mondiale di produzione dell’energia con un dispositivo termoelettrico più efficiente e a costo più basso.

Generatore nanofili. (Foto da: Università di Pisa)
Generatore nanofili. (Foto da: Università di Pisa)
La scelta dei materiali

I gruppi di ricerca delle Università di Pisa e Milano-Bicocca hanno quindi sostituito il succitato costoso e raro tellurio con nanostrutture in silicio, un materiale decisamente più abbondante sul pianeta, bio-compatibile ed economico.

Per mezzo di questi innovativi dispositivi in silicio sarà possibile recuperare energia elettrica da qualsiasi fonte di calore, persino dalla Terra (energia geotermica), che attualmente risulta essere scarsamente utilizzata.

Per di più, i dispositivi termoelettrici possono essere prodotti su grande scala e in maniera economica con le stesse tecnologie usate per i circuiti elettronici.

La struttura del generatore termoelettrico

I generatori termoelettrici, che convertono il calore direttamente in energia elettrica, hanno grandi potenzialità nel campo della raccolta di energia. Lo sfruttamento di queste potenzialità è però limitato dai materiali utilizzati attualmente, che presentano buone proprietà termoelettriche, ma anche numerosi svantaggi. 

La collaborazione tra le Università di Pisa e Milano-Bicocca ha portato allo sviluppo del generatore termoelettrico a base di silicio, che nella sua struttura è costituito da una vasta collezione di nanostrutture di silicio con forte drogaggio di “tipo p”(*). Questo dispositivo unisce due fondamentali caratteristiche positive termoelettriche del silicio, ovvero l’elevato fattore di potenza e una bassa conducibilità termica. Il generatore termoelettrico a base di silicio presenta una densità di energia elettrica generata molto elevata, pertanto risulta essere adatto per applicazioni di energy scavenging(**), le quali sfruttano piccole differenze di temperatura.

(Immagine da: Università di Pisa)
(Immagine da: Università di Pisa)
Applicazioni future

In definitiva, quello di cui parliamo è uno studio che introduce una grande novità nel panorama energetico e che potrà essere applicato a diversi settori. A questo proposito Elisabetta Dimaggio, ricercatrice del Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione, ha commentato: “Una tipica applicazione che abbiamo in mente è l’industria 4.0, su cui il nostro dipartimento ha attivi diversi progetti di ricerca e laboratori. I dispositivi al silicio possono essere integrati con i sensori wireless della “fabbrica intelligente”, fino a ora alimentati con batterie che necessitano di essere ricaricate e poi smaltite, e fornire loro energia semplicemente applicando i sensori su una superficie calda, disponibile in molti punti della fabbrica. Oltre alla fabbrica e agli ambienti domestici, c’è l’ambito biomedicale: dispositivi indossabili per il monitoraggio di pressione, temperatura o altri parametri vitali potranno essere “ricaricati” con il semplice calore del corpo.

Il professor Pennelli ha poi concluso: “Si tratta di un campo di ricerca dalla portata innovativa dirompente. Al momento, il primo prototipo è operativo e ha già attirato l’interesse di alcune industrie, interessate a produrre dispositivi per ricaricare i sensori su larga scala. Una rivoluzione energetica come quella di cui ci sarà bisogno nei prossimi anni richiede la produzione e messa in commercio di dispositivi più grandi, ma sempre basati sullo stesso principio. La tecnologia esiste e funziona. È necessario ora che sia messa in grado di contribuire al miglioramento delle condizioni del nostro pianeta.

Generatore termoelettrico macroscopico. (immagine da: ACS Pubblications)
Generatore termoelettrico macroscopico. (immagine da: ACS Pubblications)

(*) Il drogaggio del silicio è il processo di introduzione di quantità controllate di atomi estranei o impurezze nel reticolo cristallino di silicio al fine di alterare le concentrazioni dei portatori di carica e modificare la sua conducibilità elettrica. Nel caso di drogaggio di “tipo p”, l’atomo drogante ha un elettrone in meno, e tale mancanza o vacanza di elettrone, indicata con il nome di lacuna, si comporta come una particella carica positivamente e si può spostare all’interno del semiconduttore.

(**) L’Energy scavenging o energy harvesting (tradotto alle volte come “energia racimolata”) è il processo per cui l’energia proveniente da energie alternative viene catturata e salvata. Tale processo le converte in energia elettrica direttamente utilizzabile.

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