• Articolo , 8 novembre 2010
  • Imitando la fotosintesi

  • Losanna, sponda svizzera del lago di Ginevra: il laboratorio di fotonica dell’ Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne è immerso nel verde, con le acque cristalline del lago come sfondo. E qui lavora uno dei 20 chimici più famosi e citati del mondo, il professor Michael Grätzel, da poco premiato con il _“Millennium Technology Prize 2010”_ […]

Losanna, sponda svizzera del lago di Ginevra: il laboratorio di fotonica dell’ Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne è immerso nel verde, con le acque cristalline del lago come sfondo. E qui lavora uno dei 20 chimici più famosi e citati del mondo, il professor Michael Grätzel, da poco premiato con il _“Millennium Technology Prize 2010”_ per l’ideazione e lo sviluppo delle celle solari DSSC, Dye-Sensitized Solar Cells, anche dette *celle di Grätzel* dal nome del loro inventore.
Il perché di tanto successo è facilmente comprensibile e fondamentalmente si basa su una formula di successo: Sole a basso costo, cioè una fonte di energia pulita, sostenibile, economica e soprattutto abbondante. Il nostro pianeta riceve dal Sole mediamente 120000 terawatt di potenza, un’energia largamente superiore alle esigenze umane; basti pensare che se si ricoprisse lo 0.16% della superficie terrestre (cioè l’intera Gran Bretagna o 2 volte l’isola di Cuba, o ancora meglio metà del deserto del Kalahari) con sistemi fotovoltaici efficienti anche solo al 10%, si otterrebbero 20 terawatt di potenza, il doppio del consumo mondiale di energia da fonti fossili e corrispondenti a 20000 centrali nucleari da 1 gigawatt l’una.
Ovviamente però l’energia del Sole non si può usare così com’è. Intermittente e diffusa, legata sia a parametri geografici (latitudine e altezza) che meteorologici come la nuvolosità, l’energia solare deve essere prima “catturata”, poi concentrata e stoccata, ed infine convertita in forme di energia utili, come l’elettricità o l’energia termica.
L’era moderna delle celle solari fotovoltaiche nasce negli anni ’50, con lo creazione dei primi sistemi a base di silicio come tecnologia spaziale per lo sviluppo di alimentatori per satelliti; il Vanguard I, lanciato in orbita dalla NASA nel 1958, fu il primo satellite alimentato ad energia solare. Per questo tipo di applicazioni avanzate ovviamente il costo della tecnologia non rappresenta un ostacolo, ma diventa quanto mai rilevante quando si rimettono i piedi sulla Terra.
Il costo dell’elettricità delle celle solari di prima generazione a base di silicio attualmente è 2-3.5 $ per watt; per essere competitive con le altre tecnologie esistenti i costi dovrebbero essere abbattuti fino a 0.4 $ per watt. Le celle solari di seconda generazione, basate su sottili pellicole di materiale inorganico (e.g. silicio amorfo, cadmio-tellurio, rame-indio-selenio, rame-indio-gallio-selenio) riducono i costi di produzione rispetto alle celle solari di prima generazione poiché possono essere depositate efficacemente con tecniche a basso costo su grandi superfici come vetro, acciaio e polimeri vari; d’altro canto però l’efficienza di conversione della luce solare è molto inferiore rispetto a quella ottenibile da celle solari di prima generazione, 7-12% contro 25%, e soprattutto questo tipo di celle ha un declino delle performance del 20-30% dopo 1000 ore di operatività alla luce solare.
Ed è qui che entrano in gioco le celle di Grätzel, con un eccellente rapporto prezzo/performance ed in grado di imporsi nel mercato delle energie rinnovabili a larga scala e a basso costo.
Il principio di funzionamento delle DSSC è quello della fotosintesi: immaginiamo le foglie delle piante come piccole fabbriche in cui la luce solare, assorbita dalla clorofilla, converte l’anidride carbonica e l’acqua, in glucosio ed ossigeno, fornendo energia alla pianta. Nelle DSSC è riprodotta una sorta di fotosintesi artificiale: nanoparticelle di titanio ossido giocano il ruolo della struttura delle foglie, mentre la clorofilla è mimata da grandi molecole organiche colorate (i dyes) in grado di assorbire la luce. I nanocristalli di titanio ossido sono ricoperti dalle molecole di colorante, immersi in una soluzione elettrolita, ed infine racchiusi in una specie di sandwich di 10 micrometri di spessore tra due piastre di vetro o plastica. La luce colpisce gli elettroni liberi del colorante e crea dei “buchi”, cioè delle regioni di carica positiva derivanti dalla perdita degli elettroni; gli elettroni vengono raccolti dai nanocristalli di titanio ossido e trasferiti ad un circuito esterno producendo una corrente elettrica.
Confrontate con le celle solari di prima generazione a base di silicio, le celle di Grätzel sono nettamente più economiche, più resistenti e hanno una maggior versatilità:
* i materiali che le compongono sono reperibili facilmente in grandi quantità e a basso costo, e per di più non sono tossici. Le nanoparticelle di titanio ossido per esempio sono comunemente utilizzate come pigmento bianco nelle vernici, nelle materie plastiche e nel cemento;
* sebbene l’efficienza di conversione dell’energia solare sia inferiore rispetto alle celle di prima generazione, 12% contro 25%, la loro stabilità operativa supera le 10000 ore;
* le DSSC possono produrre elettricità anche in condizioni di luce bassa o di nuvolosità; niente a che vedere con le condizioni di luce ottimali richieste dalle celle a base di silicio che catturano l’energia solare solo quando i raggi solari sono intensi e diretti;
* le DSSC sono le uniche celle solari che possono essere completamente trasparenti; poiché il loro colore dipende dalla molecola di colorante, selezionando coloranti che assorbono nella regione dei raggi ultravioletti o del vicino infrarosso si possono ottenere materiali completamente trasparenti.

I vantaggi sono tanti ed evidenti, e fanno sì che questa tecnologia possa adattarsi ad una vasta gamma di materiali, da foglietti flessibili facilmente tagliabili con un paio di forbici a finestre completamente trasparenti.
L’interesse industriale è crescente e negli ultimi anni moltissime aziende stanno puntando su questo tipo di tecnologia. La compagnia gallese G24 Innovation ad esempio ha lanciato nel 2009 i primi moduli fotovoltaici DSSC in una serie di prodotti innovativi, come il primo zaino ricoperto di celle solari flessibili, per ricaricare in ogni momento cellulari e piccoli dispositivi elettronici. Il passaggio successivo verso una commercializzazione delle DSSC su scala ancora più ampia verrà sicuramente dall’edilizia, dove i materiali fotovoltaici potrebbero essere usati per sostituire materiali convenzionali nella costruzione di tetti, grattacieli, rivestimenti ed intere facciate di edifici.
Attualmente solo lo 0.54% dell’energia globale è prodotta utilizzando il Sole, e solo lo 0.04% utilizzando il solare elettrico. Le prospettive di incremento e le potenzialità sono comunque innegabili, con risvolti sociali non indifferenti; come disse l’avveniristico Giacomo Ciamician nel suo famoso articolo su Nature del 1912 “La fotochimica del futuro”: _“L’energia solare non è distribuita equamente sulla superficie terrestre. Ci sono regioni privilegiate, e altre meno favorite dal clima. Le prime diventerebbero le più ricche e prospere se fossimo in grado di utilizzare l’energia dal Sole. Le regioni tropicali verrebbero riconquistate dalla civiltà, che in questo modo tornerebbe al suo luogo di origine.”_