• Articolo , 11 maggio 2007
  • L’evoluzione “organica” delle celle fotovoltaiche

  • Il Polo Solare Organico della Regione Lazio (CHOSE) si è posto l’obiettivo scientifico di sviluppare le tecnologie di produzione di celle fotovoltaiche basate su materiali organici e su processi di fabbricazione innovativi

Con il contributo della Regione Lazio, a fine 2006 è stato istituito presso il Dipartimento di Ingegneria Elettronica dell’Università degli Studi di Roma – Tor Vergata, questo organismo che sta realizzando delle celle fotovoltaiche organiche utilizzando come elemento attivo non più un semiconduttore inorganico come il silicio, bensì una serie di materiali organici (polimeri o piccole molecole).
Un grosso vantaggio dei materiali fotovoltaici organici o plastici risiede nel fatto che questi, sotto forma di pellicola, possono essere depositati su larghe aree e a costi molto ridotti a partire da una soluzione liquida come veri e propri inchiostri o paste. È possibile quindi usare metodi tipici dell’industria della stampa riducendo drasticamente i costi di materiale, di processo e di dispendio energetico.
Oggi il 90% dei pannelli solari in commercio è costituto da pannelli in silicio cristallino. I processi per la realizzazione di celle solari cristalline tuttavia rendono tale tecnologia relativamente costosa. Una via alternativa per cercare di diminuire i costi di produzione e la quantità di materiale impiegato è la tecnologia a “film sottile”. Una delle tecnologie più interessanti è quella del fotovoltaico organico, che ha iniziato a farsi strada nei laboratori di ricerca internazionali negli anni ‘90.
Come celle solari organiche intenderemo quei dispositivi la cui parte fotoattiva è basata sui composti organici del carbonio, includendo anche quelle celle più prettamente di tipo ibrido. La struttura base di una cella organica è semplice: detta “a sandwich” è composta da un substrato, generalmente vetro ma anche plastica flessibile, e da una o più sottilissime pellicole, che contengono i materiali fotoattivi, frapposte tra due elettrodi conduttivi di cui almeno uno trasparente.
La gamma di celle solari organiche è ampia e si trova in diversi stadi di ricerca e di maturazione tecnologica e comprende, in sintesi, le celle “dye sensitized” (o DSSC), le celle totalmente organiche (anche dette plastiche), e le celle ibride organico/inorganico.
Per le celle DSSC (o di Grätzel, dal nome del loro inventore), la parte fotoelettricamente attiva, spessa qualche micrometro ed inserita tra due elettrodi, è costituita da un pigmento organico, da ossido di titanio e da un elettrolita. Le celle DSSC, ispirandosi al processo di fotosintesi clorofilliana, utilizzano una miscela di materiali in cui un pigmento assorbe la radiazione solare e gli altri componenti estraggono la carica per produrre elettricità. Infatti è possibile ottenere l’effetto fotovoltaico anche con pigmenti vegetali. Efficienze massime del 10-11% e tempi di vita di vari anni, valori comunque in costante aumento, sono stati misurati in laboratorio per questo tipo di cella singola, utilizzando pigmenti sintetizzati attraverso i processi della chimica organica. Anche se le condizioni sotto insolazione all’aperto, per pannelli su larga area, sono più severe di quelle in laboratorio, varie realtà industriali, tra cui la Konarka Technologies, G24I, DyeSol, Aisin Seki, Hitachi, e Sharp, stanno investendo grosse risorse nello sviluppo di questo tipo di tecnologia.
Le celle fotovoltaiche completamente organiche, sia quelle a “small molecules”, realizzate attraverso un’evaporazione sotto vuoto, sia quelle polimeriche, realizzate attraverso deposizione in forma liquida, sono recentemente arrivate al 4-5% di efficienza massima per celle in laboratorio. Queste celle, anche conosciute come “plastiche”, sono molto interessanti in quanto le tecniche di fabbricazione sono le più semplici da attuare.
La ricerca e sviluppo nel campo del fotovoltaico organico mira ad aumentare le efficienze ed i tempi di vita delle celle ed a sviluppare metodi di fabbricazione trasferibili su pannelli di larga area. Come emerge da questa breve descrizione, il grosso vantaggio dei materiali fotovoltaici organici o ibridi in genere risiede nel fatto che questi possono essere depositati, su larghe aree e a costi molto ridotti, sia in soluzione liquida, come veri e propri inchiostri o paste, o attraverso semplici processi di evaporazione. È possibile quindi usare metodi tipici dell’industria della stampa e applicarli nel campo del solare organico, riducendo così gli alti costi di materiale e di processo, tipici dell’industria dei semiconduttori convenzionali cristallini.
(Thomas M. Brown, Aldo Di Carlo, Andrea Reale e Franco Giannini)