Rinnovabili • Celle fotovoltaiche organiche

Celle fotovoltaiche organiche, l’efficienza cresce del 66% con i nanogusci

Una nuova struttura superficiale irregolare regala al fotovoltaico polimerico una maggiore capacità di assorbimento luminoso

Celle fotovoltaiche organiche
Le piccole cupole riprodotte sulla superficie della cella ricordano i punti della scrittura Braille. Foto di Daniel Roberts da Pixabay

Nuovi passi avanti per il fotovoltaico organico

(Rinnovabili.it) – Migliorare le prestazioni di una determinata tecnologia non significa sempre mirare a renderla perfetta. In alcuni casi sono proprio le imperfezioni a regalare risultati inaspettati. Succede così all’efficienza delle celle fotovoltaiche organiche, da sempre punto debole per questo segmento. Il professore Dooyoung Ah dell’Università Abdullah Gül in Turchia ha dimostrato che inserendo delle piccole asperità sulla superficie di piatta di queste celle è possibile aumentare fino del 66% l’assorbimento della luce. Ma non si tratta di imperfezioni qualsiasi. Come spiegato nell’articolo pubblicato sul Journal of Photonics for Energy, lo scienziato ha optato per minuscoli gusci emisferici, protuberanze su scala nonometrica in grado di incrementare i fotoni assorbiti e anche i loro “punti di entrata”.

Ben inteso, il lavoro si muove ancora su un piano “virtuale”, senza veri prototipi, ma i risultati della modellazione sono ugualmente molto promettenti. 

Efficienza Celle Fotovoltaiche Organiche, oggi al 19,2%

Aumentare l’efficienza delle celle fotovoltaiche organiche rappresenta un passaggio fondamentale per diffondere la tecnologia su larga scala. Il segmento ha già dalla sua la grande economicità rispetto alle celle in silicio cristallino, una maggiore facilità d’integrazione e una catena di approvvigionamento svincolata dall’industria cinese. Ma i progressi raggiunti in questo campo sono stati decisamente più lenti di quelli compiuti in altri segmenti.

Allo stato attuale il valore di conversione della luce in elettricità più alto per il fotovoltaico organico l’ha segnato l’Università Jiao Tong di Shanghai e risulta pari al 19,2% (valore riportato nel Best Research Cell Efficiencies Chart del NREL). A titolo di confronto nel campo dei semiconduttori organici, a singola giunzione e senza concentratori, il valore più elevato lo mostra una cella solare in GaAs di Alta Device con un bel 29.1% d’efficienza.

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Aumentare l’efficienza del fotovoltaico polimerico

Nel suo studio il professor Dooyoung Hah ha analizzato gli spettri di assorbimento all’interno dello strato attivo a forma di guscio emisferico, fornendo un esame dettagliato di come la luce interagisce con la struttura e i materiali della cella. Nel dettaglio la ricerca si è focalizzata su una cella fotovoltaica composta da polimero organico – il P3HT:ICBA – come strato attivo, posto tra uno strato superiore trasparente di ossido di indio-stagno di alluminio e uno inferiore di alluminio. Il tutto “appoggiato” su un substrato di PMMA. Questa organizzazione a sandwich è stata mantenuta in tutti i nanogusci creati sulla superficie.

L’analisi ha mostrato che la struttura dei mini dossi quando sottoposta a luce polarizzata elettrica trasversale (TE), determina un aumento del 66% nell’assorbimento della luce rispetto ai dispositivi a struttura piatta. Allo stesso modo, per la luce polarizzata magnetica trasversale (TM), si osserva un incremento del 36%.

“Grazie alle migliorate caratteristiche di assorbimento e omnidirezionalità – ha commentato Hah su Spie.org – gli strati attivi proposti a forma di guscio emisferico si riveleranno utili in varie aree di applicazione delle celle solari organiche, come i dispositivi biomedici, nonché applicazioni come finestre per la generazione di energia e serre, Internet delle cose e così via”.

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About Author / Stefania Del Bianco

Giornalista scientifica. Da sempre appassionata di hi-tech e innovazione energetica, ha iniziato a collaborare alla testata fin dalle prime fasi progettuali, profilando le aziende di settore. Nel 2008 è entrata a far parte del team di redattori e nel 2011 è diventata coordinatrice di redazione. Negli anni ha curato anche la comunicazione e l'ufficio stampa di Rinnovabili.it. Oggi è Caporedattrice del quotidiano e, tra le altre cose, si occupa quotidianamente delle novità sulle rinnovabili, delle politiche energetiche e delle tematiche legate a tecnologie e mercato.


Rinnovabili • Turbine eoliche ad asse verticale

Turbine eoliche ad asse verticale, efficienza migliorata del 200%

Dall'EPFL svizzero il primo studio che applica un algoritmo di apprendimento automatico alla progettazione della pale delle turbine VAWT

Turbine eoliche ad asse verticale
via depositphotos

Nuovi progressi per le turbine eoliche ad asse verticale

Un aumento dell’efficienza del 200% e una riduzione delle vibrazioni del 70%. Questi due dei grandi risultati raggiunti nel campo delle turbine eoliche ad asse verticale,  presso l’UNFoLD, il laboratorio di diagnostica del flusso instabile della Scuola Politecnica Federale di Losanna (EPFL). Il merito va a Sébastien Le Fouest e Karen Mulleners che, in un’anteprima mondiale hanno migliorato questa specifica tecnologia impiegando un algoritmo di apprendimento automatico.

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Turbine eoliche VAWT, vantaggi e svantaggi

Si tratta di un progresso a lungo atteso dal comparto. Le turbine eoliche ad asse verticale o VAWT per usare l’acronimo inglese di “Vertical-axis wind turbines” offrono sulla carta diversi vantaggi rispetto ai classici aerogeneratori ad asse orizzontale. Ruotando attorno ad un asse ortogonale al flusso in entrata, il loro lavoro risulta indipendente dalla direzione del vento, permettendogli di funzionare bene anche nei flussi d’aria urbani. Inoltre offrono un design più compatto e operano a frequenze di rotazione più basse, il che riduce significativamente il rumore e il rischio di collisione con uccelli e altri animali volanti. E ancora: le parti meccaniche della trasmissione possono essere posizionate vicino al suolo, facilitando la manutenzione e riducendo i carichi strutturali.

Perché allora non sono la scelta dominante sul mercato eolico? Come spiega lo stesso Le Fouest, si tratta di un problema ingegneristico: le VAWT funzionano bene solo con un flusso d’aria moderato e continuo. “Una forte raffica aumenta l’angolo tra il flusso d’aria e la pala, formando un vortice in un fenomeno chiamato stallo dinamico. Questi vortici creano carichi strutturali transitori che le pale non possono sopportare“, scrive Celia Luterbacher sul sito dell’EPFL.

Energia eolica e algoritmi genetici

Per aumentare la resistenza, i ricercatori hanno cercato di individuare profili di inclinazione ottimali.  Il lavoro è iniziato montando dei sensori, direttamente su una turbina in scala ridotta, a sua volta accoppiata ad un ottimizzatore funzionante con algoritmi genetici di apprendimento. Di cosa si tratta? Di una particolare tipologia di algoritmi euristici basati sul principio della selezione naturale.

Quindi muovendo la pala avanti e indietro con angoli, velocità e ampiezze diverse, hanno generato una serie di profili di inclinazione. “Come in un processo evolutivo, l’algoritmo ha selezionato i profili più efficienti e robusti e ha ricombinato i loro tratti per generare una ‘progenie’ nuova e migliorata”. Questo approccio ha permesso a Le Fouest e Mulleners non solo di identificare due serie di profili di passo che contribuiscono a migliorare significativamente l’efficienza e la robustezza della macchina, ma anche di trasformare la più grande debolezza delle turbine eoliche ad asse verticale in un punto di forza. I risultati sono riportati su un articolo recentemente pubblicato sulla rivista Nature Communications.

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