Foreste di nanofili di silicio per l’energy harvesting

Cosa sono i generatori termoelettrici nanostrutturati? Come possono essere impiegati per convertire il calore umano in elettricità? Quali sono le possibili applicazioni di questa tecnologia? Ce lo spiegano i professori Giovanni Pennelli ed Elisabetta Dimaggio del Dipartimento di Ingegneria dell’informazione dell’Università di Pisa autori della ricerca sul tema recentemente pubblicata sulla rivista Nanoletters.

“La termoelettricità è un fenomeno conosciuto fin dal XIX secolo e largamente impiegato nei sensori per la misura della temperatura, le termocoppie. Esse sono costituite dalla giunzione di due materiali diversi e convertono il calore in elettricità, fornendo un segnale elettrico proporzionale alla differenza di temperatura.

Tuttavia, seppur sufficiente ai fini di una misura, la potenza elettrica ottenuta è molto piccola. La bassa efficienza di conversione termoelettrica è dovuta ai materiali impiegati (metalli o semiconduttori), che tipicamente sono buoni conduttori elettrici, ma anche termici e, quindi, dissipano il calore convertendone in elettricità solo una piccola parte. Recentemente, è stato dimostrato che la nanostrutturazione consente di ottenere materiali con una buona conducibilità elettrica, ma con conducibilità termica estremamente ridotta. Le nanotecnologie, quindi, permetteranno di ottenere generatori termoelettrici in grado di fornire direttamente potenza elettrica con alta efficienza di conversione a partire da fonti di calore, anche a bassa temperatura, non altrimenti utilizzabili con atre tecniche. I generatori termoelettrici nanostrutturati potranno dare un notevole contributo all’energy harvesting.

Diversi gruppi di ricerca in tutto il mondo si sono concentrati su questa possibilità e anche in Italia una nutrita comunità scientifica, che si è riunita formalmente nell’Associazione italiana di termoelettricità (AIT) si sta occupando dell’argomento. Recentemente, i ricercatori italiani sulla termoelettricità si sono incontrati in un congresso, svoltosi proprio a Pisa (organizzato dall’Università di Pisa e dall’AIT). Il gruppo dell’Università si è focalizzato sullo sviluppo di generatori termoelettrici nanostrutturati basati sul silicio. A differenza di altri materiali per la termoelettricità, come ad esempio il tellurio che è raro e nocivo per la salute, il silicio è molto abbondante (è il secondo elemento nella crosta terrestre, dopo l’ossigeno) ed è biocompatibile. Inoltre, la sua tecnologia è molto ben conosciuta, poiché il silicio è alla base dei moderni dispositivi elettronici che usiamo ogni giorno. Tuttavia, la conducibilità termica del silicio è molto elevata (è comparabile a quella dell’alluminio) e questo ne ha precluso fino ad ora l’impiego per la generazione termoelettrica. Oggi le nanotecnologie più avanzate consentono la fabbricazione di nanofili di silicio con diametro inferiore a 100 nm, la cui conduzione termica è ridotta di due ordini di grandezza rispetto al silicio massivo. Allo stato attuale sono stati misurati dispositivi basati su poche decine di nanostrutture, che quindi non possono generare grandi correnti elettriche.

Per fabbricare generatori termoelettrici utili per il green energy harvesting i ricercatori dell’Università di Pisa stanno sviluppando delle tecnologie che consentano di ottenere un grande numero (diverse decine di milioni) di nanostrutture, appositamente collegate per mezzo di contatti che consentano la conduzione di elettricità e di calore.

Nella foto Giovanni Pennelli ed Elisabetta Dimaggio del Dipartimento di Ingegneria dell’informazione dell’Università di Pisa

Un approccio molto promettente si basa sulle foreste di nanofili di silicio, come quella mostrata nella foto SEM in anteprima all’articolo. Queste foreste, ottenute con un semplice ed economico processo di attacco chimico del silicio, sono formate da diversi milioni di nanofili per millimetro quadrato, ciascuno con diametro compreso tra 50 e 80 nm e lungo diverse decine di micrometri.

Un punto cruciale è la realizzazione di contatti elettrici affidabili su questa miriade di nanofili. Proprio su questo si concentra la ricerca che abbiamo appena pubblicato sulla rivista scientifica Nanoletters: la tecnica sviluppata si basa sulla deposizione elettrochimica del rame, che avviene in maniera selettiva sui vertici dei nanofili, cioè sulle “cime degli alberi”, che risultano così collegati e possono condurre sia la corrente elettrica che il poco calore necessario alla conversione.

Questa tecnologia consentirà innanzitutto la fabbricazione di microchip sui quali sono integrati sia il circuito elettronico in silicio, sia il generatore in silicio nanostrutturato per la sua alimentazione, rendendo così inutili le batterie. Una possibilità è quella di sfruttare il calore del corpo: applicando il generatore sulla pelle, la differenza di temperatura rispetto all’aria fornirà la potenza elettrica necessaria, ad esempio, per alimentare l’orologio o eventuali sensori biomedicali.

Con un approfondimento della ricerca, non è impensabile arrivare ad usare il calore del nostro corpo per alimentare il cellulare, senza la necessità di dover ricaricare le batterie. Con differenze di temperatura molto più elevate, come ad esempio con quelle ottenibili per mezzo della concentrazione della luce del Sole, è possibile arrivare a rendimenti dell’ordine del 20-30 %: i generatori termoelettrici, quindi, potrebbero diventare alternativi anche alle celle fotovoltaiche convenzionali.”