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Fotovoltaico trasparente: a che punto siamo?

Come funziona la tecnologia del fotovoltaico trasparente? Quali sono le sue potenzialità? A spiegarlo uno maggiori esperti del settore.

Fotovoltaico trasparente

 

La tecnologia del fotovoltaico trasparente, dalla nascita a oggi

(Rinnovabili.it) – Negli ultimi anni l’evoluzione della tecnologia solare ha seguito essenzialmente tre direttive: aumentare l’efficienza dei moduli, abbassarne i costi e renderli perfettamente integrabili in qualsiasi materiale o struttura. Da quest’ultima esigenza è nato il fotovoltaico trasparente, celle solari invisibili a occhio nudo, create per assorbire specifiche lunghezze d’onda della luce, quali gli ultravioletti e le lunghezze d’onda vicino all’infrarosso.

 

Cugina alla lontana dei moduli fotovoltaici semi opachi (di cui ne ricalca la mission stravolgendo però design e funzionamento), la nuova tecnologia ha raggiunto i primi risultati importanti nel 2013 quando un gruppo di ricercatori del laboratorio di elettronica organica e nanostrutture di MIT ha realizzato il primo sistema in grado di produrre energia facendo passare più del 70% della luce visibile. L’efficienza era, ovviamente, molto bassa (2%), ma gli scienziati del MIT hanno avuto il merito d’aver aperto la strada ad un nuovo design funzionale per il fotovoltaico trasparente.

 

La struttura del fotovoltaico trasparente

La struttura del fotovoltaico trasparenteLo strato più spesso (a sinistra nell’immagine) è costituito dal vetro o dalla plastica; gli strati multipli di rivestimento  sono dalla parte opposta (rivestimenti anti-riflesso e materiali in grado di rimbalzare specifiche lunghezze d’onda). Al centro si trovano invece gli strati attivi, i materiali semiconduttori che assorbono fotoni per rilasciare elettroni, e gli elettrodi trasparenti. Questa sorta di sandwich si collega ad un circuito esterno che trasporta la corrente generata dal dispositivo. “Usiamo una combinazione di ingegneria molecolare, progettazione ottica e ottimizzazione dei dispositivi – un approccio olistico per la progettazione del dispositivo trasparente”, spiegavano gli scienziati.

 

Un ulteriore sviluppo tecnologico si è ottenuto nel 2014, con la realizzazione del primo concentratore solare luminescente trasparente sviluppato dalla Michigan State University. In questo caso il sistema di raccolta solare utilizza piccole molecole organiche incluse in un doppio strato di vetro per assorbire UV e le lunghezze d’onda vicino all’infrarosso. I fotoni sono quindi guidati verso il bordo della struttura, dove sono convertiti in energia elettrica da sottili strisce di celle fotovoltaiche. “Dal momento che questi materiali organici non assorbono o emettono luce nello spettro visibile, sembrano eccezionalmente trasparenti per l’occhio umano”. Anche in questo caso però il fotovoltaico trasparente ha un’efficienza di conversione decisamente bassa (circa il 5%).

 

Il potenziale futuro del fotovoltaico trasparente

Si può, allora, davvero immaginare un futuro in cui il fotovoltaico trasparente possa sostituire in maniera efficiente e conveniente i vetri di finestre, auto o dispositivi mobili? Secondo lo scienziato Richard Lunt, che ha firmato entrambi i lavori, sì. Lunt, assegnista di ricerca al MIT e ora professore associato di Ingegneria Chimica e Scienza dei Materiali alla Michigan State University, ha analizzato il potenziale di questa tecnologia, cercando di capire se valesse la pena insistere o meno in questa direzione.

Nello studio pubblicato ieri su Nature, lo scienziato afferma che l’uso diffuso di tali applicazioni, unitamente alle unità sul tetto, potrebbe soddisfare quasi per intero la domanda elettrica statunitense riducendo drasticamente l’uso dei combustibili fossili.

 

Il ricercatore non sta solo tirando l’acqua al suo mulino: il fotovoltaico trasparente è riuscito effettivamente a migliorare la sua efficienza e può realisticamente raggiungere un rendimento superiore al 12%. Lo stesso Lunt chiarisce un aspetto fondamentale: le tecnologie solari trasparenti non saranno mai più efficienti nella conversione dell’energia solare rispetto alle controparti opache, tuttavia possono avvicinarsi alla loro resa e offrire un potenziale d’applicazione molto maggiore. “Stiamo lavorando per sviluppare il loro pieno potenziale”, spiega lo scienziato. “Le applicazioni solari tradizionali sono state oggetto di ricerca per oltre cinque decenni, noi lavoriamo sul fotovoltaico trasparente solo da cinque anni”.

In termini prettamente numerici, i ricercatori hanno calcolato che solo negli USA sono disponibili circa 5 miliardi – 7 miliardi di metri quadrati di superficie di vetro. Adottando il solare trasparente si potrebbe fornire circa il 40 per cento della domanda elettrica nazionale.

 

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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 • Batterie al sodio allo stato solido

Batterie al sodio allo stato solido, verso la produzione di massa

Grazie ad un nuovo processo sintetico è stato creato un elettrolita di solfuro solido dotato della più alta conduttività per gli ioni di sodio più alta mai registrata. Circa 10 volte superiore a quella richiesta per l'uso pratico

Batterie al sodio allo stato solido
via Depositphotos

Batterie al Sodio allo Stato Solido più facili da Produrre

La batterie allo stato solido incarnano a tutti gli effetti il nuovo mega trend dell’accumulo elettrochimico. E mentre diverse aziende automobilistiche tentano di applicare questa tecnologia agli ioni di litio, c’è chi sta percorrendo strade parallele. É il caso di alcuni ingegneri dell’Università Metropolitana di Osaka, in Giappone. Qui i professori Osaka Atsushi Sakuda e Akitoshi Hayash hanno guidato un gruppo di ricerca nella realizzazione di batterie al sodio allo stato solido attraverso un innovativo processo di sintesi.

Batterie a Ioni Sodio, nuova Frontiera dell’Accumulo

Le batterie al sodio (conosciute erroneamente anche come batterie al sale) hanno conquistato negli ultimi anni parecchia attenzione da parte del mondo scientifico e industriale. L’abbondanza e la facilità di reperimento di questo metallo alcalino ne fanno un concorrente di primo livello dei confronti del litio. Inoltre l’impegno costante sul fronte delle prestazioni sta portando al superamento di alcuni svantaggi intrinseci, come la minore capacità. L’ultimo traguardo raggiunto in questo campo appartiene ad una ricerca cinese che ha realizzato un unità senza anodo con una densità di energia superiore ai 200 Wh/kg.

Integrare questa tecnologia con l’impiego di elettroliti solidi potrebbe teoricamente dare un’ulteriore boost alla densità energetica e migliorare i cicli di carica-scarica (nota dolente per le tradizionali batterie agli ioni di sodio). Quale elettrolita impiegare in questo caso? Quelli di solfuro rappresentano una scelta interessante grazie alla loro elevata conduttività ionica e lavorabilità. Peccato che la sintesi degli elettroliti solforati non sia così semplice e controllabile. Il che si traduce in un’elevata barriera per la produzione commerciale delle batterie al sodio allo stato solido.

Un Flusso di Polisolfuro reattivo

É qui che si inserisce il lavoro del team di Sakuda a Hayash. Gli ingegneri hanno messo a punto un processo sintetico che impiega sali fusi di polisolfuro reattivo per sviluppare elettroliti solidi solforati. Nel dettaglio utilizzando il flusso di polisolfuro Na2Sx come reagente stechiometrico, i ricercatori hanno sintetizzato due elettroliti di solfuri di sodio dalle caratteristiche distintive, uno dotato della conduttività degli ioni di sodio più alta al mondo (circa 10 volte superiore a quella richiesta per l’uso pratico) e uno vetroso con elevata resistenza alla riduzione.

Questo processo è utile per la produzione di quasi tutti i materiali solforati contenenti sodio, compresi elettroliti solidi e materiali attivi per elettrodi“, ha affermato il professor Sakuda. “Inoltre, rispetto ai metodi convenzionali, rende più semplice ottenere composti che mostrano prestazioni più elevate, quindi crediamo che diventerà una metodologia mainstream per il futuro sviluppo di materiali per batterie al sodio completamente allo stato solido“.  I risultati sono stati pubblicati su Energy Storage Materials and Inorganic Chemistry .

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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 • fotovoltaico materiale quantistico

Fotovoltaico, ecco il materiale quantistico con un’efficienza del 190%

Un gruppo di scienziati della Lehigh University ha sviluppato un materiale dotato di una efficienza quantistica esterna di 90 punti percentuali sopra quella delle celle solari tradizionali

fotovoltaico materiale quantistico
via Depositphotos

Nuovo materiale quantistico con un assorbimento solare medio dell’80%

Atomi di rame inseriti tra strati bidimensionali di seleniuro di germanio e solfuro di stagno. Questa la ricetta messa a punto dai fisici Srihari Kastuar e Chinedu Ekuma nei laboratori della Lehigh University, negli Stati Uniti, per dare una svecchiata alla prestazioni delle celle solari. Il duo di ricercatori ha così creato un nuovo materiale quantistico dalle interessanti proprietà fotovoltaiche. Impiegato come strato attivo in una cella prototipo, infatti, il nuovo materiale ha mostrato un assorbimento solare medio dell’80%, un alto tasso di generazione di portatori fotoeccitati e un’efficienza quantistica esterna (EQE) record del 190%. Secondo gli scienziati il risultato raggiunto supera di gran lunga il limite teorico di efficienza di Shockley-Queisser per i materiali a base di silicio e spinge il campo dei materiali quantistici per il fotovoltaico a nuovi livelli. 

leggi anche Fotovoltaico in perovskite, i punti quantici raggiungono un’efficienza record

L’efficienza quantistica esterna

Tocca fare una precisazione. L’efficienza quantistica esterna non va confusa con l’efficienza di conversione, il dato più celebre quando si parla di prestazioni solari. L’EQE rappresenta il rapporto tra il numero di elettroni che danno luogo a una corrente in un circuito esterno e il numero di fotoni incidenti ad una precisa lunghezza d’onda

Nelle celle solari tradizionali, l’EQE massimo è del 100%, tuttavia negli ultimi anni alcuni materiali e configurazioni avanzate hanno dimostrato la capacità di generare e raccogliere più di un elettrone da ogni fotone ad alta energia incidente, per un efficienza quantistica esterna superiore al 100%. Il risultato di Kastua e Ekuma, però, rappresenta un unicum nel settore.

Celle solari a banda intermedia

Per il loro lavoro due fisici sono partiti da un campo particolare della ricerca fotovoltaica. Parliamo delle celle solari a banda intermedia (IBSC – Intermediate Band Solar Cells), una tecnologia emergente che ha il potenziale per rivoluzionare la produzione di energia pulita. In questi sistemi la radiazione solare può eccitare i portatori dalla banda di valenza a quella di conduzione, oltre che direttamente, anche in maniera graduale. Come?  “Passando” per l’appunto attraverso stati di una banda intermedia, livelli energetici specifici posizionati all’interno della struttura elettronica di un materiale creato ad hoc. “Ciò consente a un singolo fotone di provocare generazioni multiple di eccitoni attraverso un processo di assorbimento in due fasi“, scrivono i due ricercatori sulla rivista Science Advances.

Nel nuovo materiale quantistico creato dagli scienziati della Lehigh University questi stati hanno livelli di energia all’interno dei gap di sottobanda ideali. Una volta testato all’interno di una cella fotovoltaica prototipale il materiale ha mostrato di poter migliorare l’assorbimento e la generazione di portatori nella gamma dello spettro dal vicino infrarosso alla luce visibile. 

La rivoluzione dei materiali quantistici

Il duo ha sviluppato il nuovo materiale sfruttando i “gap di van der Waals”, spazi atomicamente piccoli tra materiali bidimensionali stratificati. Questi spazi possono confinare molecole o ioni e gli scienziati dei materiali li usano comunemente per inserire, o “intercalare”, altri elementi per ottimizzare le proprietà dei materiali. Per la precisione hanno inserito atomi di rame tra strati di seleniuro di germanio e solfuro di stagno. “Rappresenta un candidato promettente per lo sviluppo di celle solari ad alta efficienza di prossima generazione – ha sottolineato Ekuma – che svolgeranno un ruolo cruciale nell’affrontare il fabbisogno energetico globale“.

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