Nanotubi di carbonio macroscopicamente allineati come emettitori iperbolici per conversioni fotovoltaiche efficienti

Electromagnetic radiation is a physical phenomenon that has been traditionally described with the help of Planck’s law and the concept of black body, but recent developments have proven its limitations. This law sets upper limits for the amount of energy that an object can emit or exchange in the form of electromagnetic waves. However, due to the development of novel experimental techniques it has been possible to demonstrated that electromagnetic radiation properties of small enough objects drastically violate Planck’s law. It has, indeed, been demonstrated that when the sizes of the objects or the gaps between the objects are in the micro- or nano-scale, not only Planck's law is no longer valid but the radiative power can exceed the blackbody limit by orders of magnitude. This super planckian radiation phenomenon has attracted significant attention in the fields of the thermal management, energy conversion, infrared sensing and imaging, etc. Nevertheless, in comparison with the traditional radiation under the framework of Planck's law, the understanding of super planckian radiation is still relatively immature in the aspects of theoretical description, numerical modelling and experimental characterisation. In this dissertation is discussed why this narrow peak emission is significant for increasing efficiency in photovoltaic conversions. Then is presented a super planckian metamaterial with hyperbolic dispersion based on macroscopically aligned Single Wall Carbon Nanotubes (SWCNT). Lastly, it’s shown the implementation of numerical simulations to directly calculate the super planckian radiation of the metamaterial and dimostrate how the electromagnetic radiation can be manipulated by changing the geometry.

La radiazione elettromagnetica è un fenomeno fisico che è tradizionalmente descritto con l'aiuto della legge di Planck e del concetto di corpo nero, ma recenti sviluppi ne hanno dimostrato i limiti. Questa legge stabilisce i limiti massimi della quantità di energia che un oggetto può emettere o scambiare sotto forma di onde elettromagnetiche. Tuttavia, grazie allo sviluppo di nuove tecniche sperimentali, è stato possibile dimostrare che le proprietà della radiazione elettromagnetica di oggetti sufficientemente piccoli violano considerevolmente la legge di Planck. È stato infatti dimostrato che, quando le dimensioni degli oggetti o gli spazi tra gli oggetti sono nell’ordine dei micro o nano, non solo la legge di Planck non è più valida ma la potenza radiante può superare il limite del corpo nero anche di diversi ordini di grandezza. Questo fenomeno, definito radiazione super planckiana, ha generato un notevole interesse nei campi della gestione termica, della conversione dell'energia, del sensing e dell'imaging a infrarossi, ecc. Tuttavia, rispetto alla legge di Planck, la comprensione della radiazione super Planckiana è ancora relativamente immatura negli aspetti di descrizione teorica, modellistica numerica e caratterizzazione sperimentale. In questa dissertazione viene discusso il motivo per cui questo stretto picco di emissione sia così significativo per aumentare l'efficienza delle conversioni fotovoltaiche. Viene quindi presentato un metamateriale super planckiano a dispersione iperbolica basato su nanotubi di carbonio a parete singola allineati macroscopicamente (SWCNT). Infine, viene mostrata l'implementazione di simulazioni numeriche per calcolare direttamente la radiazione super planckiana del metamateriale e per dimostrare come la radiazione elettromagnetica possa essere manipolata modificandone la geometria.