Creato creato un modulo fotovoltaico semitrasparente di dimensioni commerciali in grado di far passare il 43,2% della luce solare
Il nuovo modulo fotovoltaico organico semitrasparente di dimensioni commerciali
È da oltre 15 anni che il settore solare insegue il sogno del fotovoltaico trasparente. Tuttavia, nonostante la grande mole di ricerche e sperimentazioni sul tema, il segmento non è mai realmente decollato dalla fase di laboratorio. Tra costi produttivi e la difficoltà di trasferire le prestazioni di mini celle a moduli di grandi dimensioni, i progressi raggiunti sono rimasti latori di una promessa inespressa.
Nelle stanze del Dipartimento di Fotovoltaico Organico e a Perovskite presso il Fraunhofer ISE è stato però raggiunto uno dei più avanzatii risultati nel campo. Gli scienziati hanno creato un modulo fotovoltaico organico semitrasparente di dimensioni commerciali, con processi industriali già largamente impiegati e con prestazioni degne di nota.
Gli speciali pannelli sono in grado, infatti, di far passare il 43,2% della luce solare, assorbendone il restante 56,8% per la produzione elettrica. Si tratta del valore più alto mai raggiunto con questa tecnologia su grande area, oltre il doppio del precedente record.
Va da sé che l’efficienza di conversione del modulo non possa essere neppure lontanamente paragonata a quella dei moderni pannelli in silicio cristallino. Nonostante ciò il team ha raggiunto un ragguardevole 9,2% di efficienza. Per comprendere a pieno la svolta conseguita dal Fraunhofer ISE è necessario però fare qualche passo indietro.
Cosa si intende per fv trasparente?
Quando si parla di fotovoltaico trasparente o semitrasparente, ci si muove in un settore ampio, con tecnologie diverse, dalle celebri celle solari di Graetzel a base di coloranti fotosensibili (il primo fv organico mai realizzato) ai concentratori solari luminescenti fino ai vetri rivestiti con punti quantici.
La ricerca tedesca si è focalizzata sulle celle fotovoltaiche organiche di ultima generazione, dove al momento si concentrano i progressi più ampi. Su piccolissima scala (circa 0,03 cm2 su substrato rigido di vetro) queste celle hanno raggiunto eccellenti prestazioni ottiche ed energetiche, con una trasmissione visibile media nell’intervallo tra il 33% e il 49% e un’efficienza di conversione luce-elettricità fino al 12% – 13,7% grazie all’impiego di filtri ottici, rivestimenti antiriflesso e ottimizzazione dei materiali.
Per misurare gli avanzamenti si utilizza però anche un altro parametro: la LUE, ossia l’efficienza di utilizzo della luce, prodotto tra l’efficienza di conversione energetica e la trasparenza visibile media. Per queste piccole celle la LUE è stata portata fino al 6%.
Ovviamente passare dai piccoli prototipi di laboratorio ai moduli industriali di ampie dimensioni non è semplice e determina sempre perdite di efficienza. Tra aumento della resistenza in serie e resistività superficiale, maggiore dispersione ottica e problemi nei materiali, la ricerca non era riuscita finora a portare la LUE oltre il 2,5% su superfici di 100 cm2 e solo con substrati in vetro rigidi. L’applicazione su pellicole polimeriche, infatti, fa crollare l’efficienza di utilizzo della luce a poco più dell’1%.
La ricerca tedesca spinge oltre i limiti
Per superare i limiti attuali e avvicinarsi alla produzione, in particolare quella con stampa roll-to-roll (R2R), gli scienziati del Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE in collaborazione con i colleghi dell’Università di Friburgo sono intervenuti sull’architettura ottica e degli elettrodi.
Nel dettaglio il team ha impiegato un riflettore di Bragg dielettrico nel vicino infrarosso (NIR) integrato nell’elettrodo posteriore per massimizzare la luce assorbita senza compromettere la trasparenza, realizzandolo via sputtering. Successivamente, ha steso in sequenza gli strati attivi e il contatto superiore – un polimero PEDOT:PSS ad altissima trasparenza – su una superficie di ben 210 cm2 tramite rivestimento slot-die. L’intera stesura è stata intervallata da tre incisioni laser di precisione (P1, P2, P3) che hanno frazionato e interconnesso le celle in serie senza perdite di efficienza.
“L’ampliamento della produzione su superfici più ampie è una delle principali sfide nel campo del fotovoltaico organico”, ha sottolineato il Dottor Uli Würfel, responsabile del Dipartimento di Fotovoltaico Organico e a Perovskite presso il Fraunhofer ISE. “Il fatto che siamo riusciti, per la prima volta, ad applicare con successo e praticamente senza perdite tutti gli strati delle celle solari utilizzando il processo slot-die rappresenta una svolta fondamentale per noi.”
Il fotovoltaico organico semitrasarente da record
I risultati parlano da soli. Il modulo fotovoltaico organico semitrasparente del gruppo mostra un’efficienza di conversione del 9,26% con una trasmittanza media della luce visibile del 43,2%. Ciò corrisponde a una LUE del 4%.
“Ora che abbiamo sotto controllo il processo produttivo, siamo ottimisti sul fatto che possiamo aumentare significativamente la trasparenza senza compromettere l’efficienza”, ha concluso Würfel. L’intero processo ha impiegato il vetro come substrato, ma gli scienziati hanno testato il medesimo approccio su pellicole sottili in plastica.
Il risultato? I primi pannelli solari organici flessibili realizzati hanno mostrato il 100% della loro efficienza originale anche dopo 1.274 cicli di flessione.
Lo studio “Toward scalable semitransparent organic photovoltaics: Slot-die-coated 210-cm2 modules with visible transmission of up to 50% and LUE up to 4%” è stato pubblicato sulla rivista Joule.
