Da Archimede ai nostri giorni: il diamante nero apre nuove strade per la conversione di energia solare
Il 21 gennaio 2026 è stato pubblicato su Joule, la prestigiosa rivista scientifica di Cell Press focalizzata sull'energia, uno studio condotto da un team di ricerca internazionale composto da Istituto di Struttura della Materia (ISM) del CNR, Dipartimento di Scienze e Tecnologie Chimiche (STC) dell'Università di Roma “Tor Vergata” e School of Mechanical Engineering dell'Università di Tel Aviv, che ha dimostrato le prime celle solari sotto luce solare concentrata operanti ad alta temperatura e basate su tecnologia black diamond.
L'articolo completo è ad accesso libero e disponibile online. Il Dipartimento di STC, che vede il prof. Riccardo Polini responsabile dell'Unità di Ricerca, contribuisce sia alla ottimizzazione dei parametri di processo per la nano-strutturazione del materiale, sia alla sintesi e caratterizzazione funzionale di strati di diamante sintetico.
I dispositivi pionieristici descritti nell'articolo operano in regime di emissione termoionica foto-stimolata (PETE, Photon Enhanced Thermionic Emission). L'emissione termoionica è il fenomeno fisico per cui un materiale conduttore, scaldato ad alte temperature, libera elettroni dalla propria superficie. I convertitori PETE mostrano una intensa risposta a radiazione solare e calore in eccesso, con generazione di energia elettrica a temperature compatibili con i sistemi di accumulo termico e con i convertitori ibridi utilizzati nelle piattaforme solari a concentrazione (concentrated solar power, CSP).
Gli impianti CSP sono assimilabili agli “specchi ustori” di Archimede, di cui non si hanno fonti storiche certe in merito al loro utilizzo contro le navi romane, ma solo citazioni tardive (Medioevo) e, quindi, non comprovabili. Oggi, negli impianti CSP l'energia del sole, concentrata mediante specchi o lenti, viene convertita in energia termica che viene immagazzinata in un ricevitore di dimensioni contenute.
Negli ultimi anni, gli studi si vanno concentrando su un'altra possibilità: realizzare dispositivi a stato solido per CSP, come i sistemi termo-fotovoltaici o termoionici, in grado di convertire direttamente la radiazione solare concentrata in energia elettrica.
Lo studio da poco pubblicato va proprio in questa direzione: lo sviluppo di dispositivi a stato solido, operanti alle alte temperature tipiche dei sistemi CSP. I materiali utilizzati devono essere compatibili con le alte temperature di funzionamento. In particolare, nel lavoro è stato utilizzato un catodo a base di diamante ingegnerizzato e opportunamente modificato. Il lato esposto alla luce ha una morfologia superficiale modificata, con nano-strutture periodiche prodotte con laser al femtosecondo (fs), consentendo così la produzione di difetti e l'assorbimento di luce visibile – oltre il 90% della luce solare incidente - da parte di un materiale notoriamente trasparente; il lato opposto, da cui devono essere emessi gli elettroni, è sempre diamante, ma con la superficie idrogenata mediante esposizione a idrogeno atomico. La superficie idrogenata di diamante ha una ridotta, se non negativa, affinità elettronica, a tutto vantaggio dell'emissione termoionica indotta dai fotoni della luce visibile. Il trasporto degli elettroni attraverso lo strato, dal lato assorbitore a quello emettitore, è garantito da microcanali grafitici, anch'essi prodotti con laser fs.
Lo studio, infine, prevede che una transizione dagli attuali strati di diamante di 100 µm a membrane da 300 nm di spessore possa aumentare considerevolmente sia l'efficienza quantica (fino al 30%) sia quella di conversione (fino al 14,5%) a 425 °C.
Nel complesso, questi risultati aprono la strada ad ulteriori ricerche, per sviluppare convertitori a stato solido scalabili in impianti CSP di nuova generazione.
“Lo sviluppo ulteriore della tecnologia – dichiara il prof. Polini – prevede sia di ridurre la distanza catodo-anodo dagli attuali 100 µm a pochi micrometri, sia l'utilizzo di semiconduttori, quale il silicio, in grado di per sé di assorbire la radiazione solare, e a cui applicare, sul lato emettitore, un rivestimento sottile di nanodiamante; stiamo già studiando il ruolo dello spessore del rivestimento (tipicamente inferiore ai 150 nm) cresciuto mediante CVD (deposizione chimica da fase vapore), il suo drogaggio (con N o P), nonché le proprietà di emissione elettronica della risultante etero-struttura nanodiamante/silicio sotto simulatore solare. Un'attività che fa impiego di materiali nanostrutturati, finalizzata alla sostenibilità.”
L'attività di ricerca è stata in parte finanziata dal progetto PRIN 2022 TECHPRO (Thermionic Energy Conversion for High Power RadiatiOn, progetto n. 2022KXKRR3S), coordinato dal Dott. Daniele M. Trucchi (ISM-CNR).
a cura dell'Ufficio Stampa di Ateneo