Il Fotovoltaico di Terza Generazione

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Il Fotovoltaico di Terza Generazione è una tecnologia intelligente che punta sull’adattabilità per superare i limiti fisici attuali, sia utilizzando nuovi materiali, sia unendoli a quelli conosciuti, permettendo una produzione energetica maggiore rispetto alle generazioni precedenti, e in luoghi dove queste non potevano arrivare.

(Prima di proseguire nella lettura, ci sentiamo in dovere di avvisarti che questo articolo contiene alcune immagini generate tramite l’uso di intelligenza artificiale. Abbiamo dovuto optare per questa soluzione perché ci è stato impossibile reperire immagini reali non soggette a diritto di copyright. Buona lettura!)

Il fotovoltaico di terza generazione si distingue dalle due generazioni precedenti, perché è nato per superarne i limiti fisici. Parlando di fotovoltaico è inevitabile pensare immediatamente ai pannelli solari posizionati sui tetti e nei campi. Di fatto però, ogni superficie esposta al sole ha del potenziale energetico. Da questa considerazione sono nate le ricerche per trasformare tutte le superfici in potenziali “pannelli” fotovoltaici.

Così si è sviluppato il Fotovoltaico di Terza Generazione. Questa fase della tecnologia fotovoltaica permette rese maggiori dove va a sostituire i pannelli vecchi, e può produrre energia dove il vecchio fotovoltaico non poteva essere posizionato.

I pannelli al silicio che oggi sono i più diffusi al mondo, sono il fotovoltaico di prima generazione, quelli che per primi hanno permesso di trasformare la luce solare in energia elettrica. Si tratta di pannelli rigidi, pesanti e che, in condizioni di calore elevato, perdono molta della loro efficienza.

Il fotovoltaico di seconda generazione puntava a superare i limiti del silicio, producendo pannelli più leggeri e flessibili, che possono funzionare anche condizioni di calore eccessivo. Il difetto di questa generazione di pannelli fotovoltaici è la loro minore resa energetica, ed il fatto che sono realizzati in materiali rari o potenzialmente tossici.

Caratteristiche

La nuova generazione di pannelli fotovoltaici fa uso di materiali innovativi (come polimeri organici o perovskiti), di design nuovi e aggiornati (celle tandem, a concentrazione) per essere più efficienti, punta alla riduzione dei costi tramite maggiore flessibilità (es. pannelli organici), e permette la produzione energetica in condizioni di luce scarsa (sfruttando lunghezze d’onda della luce prima inutilizzate). Il fotovoltaico di terza generazione può rendere l’energia solare più accessibile e versatile per varie applicazioni, da quelle edilizie a quelle portatili e personali.

Nel nostro precedente articolo sulle nuove tecnologie nel campo delle fonti rinnovabili, avevamo parlato superficialmente delle nuove possibilità offerte da questi nuovi sistemi di produzione energetica. In questo articolo, scendiamo più nel dettaglio su come funziona la tecnologia alla loro base.

Perovskite e Polimeri

Trasformare superfici diverse in pannelli fotovoltaici richiede materiali innovativi: il classico pannello in silicio che si installa su un tetto o in un campo è rigido, pesante e non può essere attraversato dalla luce. Avendo la necessità di materiali leggeri, in grado di piegarsi, e trasparenti, sono stati studiati i polimeri organici, semi-organici e le perovskiti.

Le celle fotovoltaiche in perovskite, anziché il silicio, utilizzano come materiale assorbente un materiale con struttura perovskitica, cioè che rientra in uno specifico gruppo di minerali con alcune caratteristiche fisiche particolari. Nel caso della produzione energetica, queste celle hanno potenzialmente alta efficienza, basso costo di produzione e facilità nella processabilità. Ma soprattutto, le Perovskiti possono essere usate per essere posate su superfici flessibili, e la loro composizione può essere modificata perché siano trasparenti. Queste caratteristiche le rendono molto appetibili dal punto di vista industriale, tuttavia la loro diffusione è rallentata dal problema che si degradano con relativa velocità, perdendo efficienza di conversione energetica.

I polimeri organici e semi-organici, nel contesto fotovoltaico, sono materiali plastici avanzati che possono sostituire il silicio come semiconduttore.

I polimeri organici sono macromolecole basate esclusivamente su catene di carbonio e idrogeno (cosa che li rende tecnicamente degli idrocarburi), ma che sono quasi sempre arricchite con azoto, ossigeno o zolfo. Le loro caratteristiche fisiche li rendono dei conduttori elettrici proprio come lo sono i metalli. Ma a differenza di questi, i polimeri organici sono flessibili e possono essere “stampati” in macchinari rotativi, a costi ridotti rispetto ai classici pannelli in silicio.

I polimeri semi-organici, diversamente dai polimeri completamente organici, includono nella loro struttura atomi di metallo che stabilizzano il materiale o ne modificano la capacità di assorbire la luce. Solitamente, non sono utilizzati singolarmente per costituire un pannello, ma sono usati in tandem con la Perovskite. La loro funzione è di “colla tecnologica” o di strati di trasporto che proteggono la perovskite in quanto naturalmente instabile, aiutando a estrarre l’energia in modo più efficiente, prima che questa si disperda.

Usi del fotovoltaico di terza generazione

Grazie alle caratteristiche particolari di questi materiali, è possibile creare dei pannelli fotovoltaici trasparenti, o semi-trasparenti, a seconda della destinazione. Possono essere usati per sostituire finestre in vetro, garantendo una produzione energetica dove prima non c’era, anche se non ottimale. Si possono anche utilizzare in sostituzione dei pannelli classici, in quanto garantiscono una conversione energetica maggiore. I pannelli in silicio infatti, convertono circa il 18-23% di luce in elettricità, i pannelli di terza generazione arrivano a livelli superiori al 30% di conversione. Si possono creare e integrare celle fotovoltaiche su superfici flessibili anche ridotte, compresi i tessuti, e nelle vernici.

I pannelli fotovoltaici trasparenti

Questo tipo di pannello, fatto di vetro o altro, permette il passaggio della luce, ed al contempo trattiene l’energia presente nei raggi solari. Diversamente da come accade nei classici pannelli solari, con quelli trasparenti o semitrasparenti, l’irraggiamento solare può essere sfruttato due volte: per la produzione di energia elettrica e per l’illuminazione degli ambienti. Queste caratteristiche li rendono ideali per l’integrazione architettonica negli edifici, dove elementi come finestre, facciate continue e coperture diventano superfici sfruttabili per la produzione energetica. Dato che, come per i normali pannelli fotovoltaici, maggiore è la superficie, maggiore è l’energia prodotta, questa tecnologia è pensata principalmente per essere applicata in edifici ricoperti di finestre o serre, anziché nelle normali abitazioni con un numero limitato di finestre.

Funzionamento di un pannello fotovoltaico trasparente

Quando i raggi del sole attraversano un pannello trasparente vengono filtrati: solo i raggi solari passano, mentre i raggi ultravioletti e infrarossi, non visibili all’occhio umano, vengono catturati dai pannelli. Sono proprio questi raggi, invisibili ad occhio nudo, che fanno apparire il pannello trasparente. I raggi catturati sono indirizzati verso i bordi del pannello, dove sottilissime strisce di celle fotovoltaiche li trasformano in energia elettrica come in un comune pannello fotovoltaico.

Tecnicamente, i pannelli fotovoltaici trasparenti funzionano tramite materiali semiconduttori speciali che assorbono solo una parte dello spettro solare, in particolare raggi ultravioletti (UV) e infrarossi (IR), lasciando invece passare la luce visibile. Questa tecnologia può utilizzare celle fotovoltaiche, organiche o inorganiche, integrate all’interno del vetro o di pellicole polimeriche trasparenti. In questo modo è possibile creare una superficie trasparente ed energetica, utilizzabile al posto dei vetri tradizionali, senza compromettere la luminosità degli ambienti interni.

Alcuni dati

Quando questi pannelli sostituiscono le finestre o le facciate in vetro degli edifici, sono posizionati verticalmente, anziché essere orientati per ottenere un’esposizione solare ottimale. Per questo motivo possono generare circa il 15–25% di energia in meno rispetto ai pannelli inclinati tradizionali. Il loro rendimento energetico è minore rispetto ai moduli tradizionali, ma l’impatto visivo ridotto e la versatilità applicativa li rendono particolarmente adatti a palazzi di tipo commerciale (uffici) e in campo agricolo (serre). 

Dal punto di vista puramente economico un pannello trasparente o semitrasparente ha un costo minore al metro quadro rispetto ad un pannello tradizionale. Questo tipo di confronto però, è fuorviante: questi due tipi di pannelli hanno funzioni diverse. Uno sostituisce una finestra, mentre l’altro è posizionato su un tetto. Le 2 funzioni coincidono solo nel caso delle serre, in cui un pannello fotovoltaico semitrasparente è la soluzione ideale. Questo perché consente il passaggio di luce, da una buona produzione energetica, e inoltre, assorbendo luce UV e l’infrarosso vicino, riduce il surriscaldamento estivo. Mentre un tradizionale pannello in silicio crea zone d’ombra riducendo le produzioni agricole anche di valori compresi tra il 20 e il 30%.

I tessuti fotovoltaici

Un tessuto fotovoltaico è del materiale tessile integrato con celle solari in grado di convertire la luce in energia elettrica. Le celle solari possono essere stampate sopra il normale tessuto, oppure fare direttamente parte del filato, a seconda della destinazione d’uso. Nel caso degli abiti, spesso si ricorre a celle organiche, più flessibili, ma meno efficienti.

Le tecnologie di moduli fotovoltaici più utilizzate sono le celle solari organiche (OPV) e le celle a film sottile, come quelle al tellururo di cadmio (CdTe) ed al rame-indio-diseleniuro-di-gallio (CIGS). Quando devono far parte di coperture esterne, si prediligono queste ultime o le celle in silicio amorfo, che sono flessibili come fogli di plastica, e si incollano/saldano su tessuti tecnici pesanti (PVC o PTFE). Queste sono meno flessibili, rispetto a quelle organiche, ma più resistenti alle intemperie ed hanno una migliore resa energetica.

Funzionamento del tessuto fotovoltaico

Un tessuto fotovoltaico, produce energia esattamente con lo stesso principio di un normale pannello fotovoltaico: catturando i fotoni tramite le celle fotovoltaiche. L’energia dei fotoni eccita il materiale semiconduttore generando corrente.

Alcuni dati

In media, con la tecnologia attuale, un indumento fotovoltaico ha una capacità di conversione di appena il 2-7%. Con una capacità così bassa, questi indumenti possono alimentare sensori di salute o piccoli LED, oppure caricare lentamente dispositivi come smartwatch e smartphone. Un altro difetto dei tessuti fotovoltaici indossabili è che patiscono il lavaggio. Una lavatrice piega e torce numerosissime volte il tessuto, cosa che alla lunga può spezzare i filamenti fotovoltaici ed i loro vari collegamenti. Inoltre, i detergenti comuni possono deteriorare i materiali plastici che proteggono le celle. I prototipi più avanzati di indumenti fotovoltaici, resistono dai 20 ai 50 lavaggi delicati, prima di perdere efficienza in maniera significativa. Gli indumenti fotovoltaici, per ora, sono il simbolo di ciò che la tecnologia avanzata può creare. Una semplice maglietta in tessuto fotovoltaico può costare tra i 250 ed i 500€, non è ancora un prodotto pensato per le masse.

La situazione è molto diversa per i tessuti fotovoltaici da esterno. Questi hanno una capacità di conversione energetica inferiore rispetto ai pannelli fotovoltaici, dato che raggiungono circa il 10 – 15%. Ma la loro leggerezza, flessibilità e, in alcuni casi, semitrasparenza li rende disponibili ad usi molto più versatili. Un esempio celebre dell’uso di tessuto fotovoltaico, dove non era possibile installare dei normali pannelli, è il London Stadium, casa del West Ham. Il tetto dello stadio non poteva reggere il peso di pannelli in silicio, così è stato ricoperto di membrane solari leggere che sono state integrate nella copertura pre-esistente.

I tessuti fotovoltaici da esterno non devono essere flessibili quanto quelli per l’uso personale, perciò sono realizzati con celle più rigide e resistenti, che non patiscono gli agenti atmosferici. Salvo condizioni estreme, hanno una durata di circa 20 anni. Questa qualità è necessaria dato il loro costo, che può essere anche 15-18 volte superiore rispetto ad un normale telo da esterno. A differenza di un normale telo però, questi si ripagano nel tempo producendo energia elettrica, non hanno solo una funzione di copertura o di ombreggiante.

Vernici Fotovoltaiche

Le vernici fotovoltaiche non sono un elemento che può essere considerato a sé per la produzione di elettricità da processo fotovoltaico. Non si tratta di vernice liquida in barattolo, come quella che si compra in un negozio di fai da te. Vengono chiamate vernici, ma sarebbe più corretto definirle inchiostri. Questo inchiostro fotovoltaico può essere, steso, spruzzato o stampato su superfici diverse, rendendole in grado di processare i fotoni della luce per generare energia elettrica. Ovviamente, non è sufficiente applicare la vernice fotovoltaica: è necessario creare una struttura a strati con un elettrodo inferiore, lo strato di vernice, ed un elettrodo superiore. In pratica, la vernice deve essere posizionata su un supporto e collegata ad un circuito, proprio come accade per le vecchie celle fotovoltaiche in silicio.

Le vernici fotovoltaiche sono di 2 tipi: a base di Perovskite, e a punti quantici. Nel caso della vernice con Perovskite, questa viene sciolta in un solvente per creare un inchiostro. Quando l’inchiostro è applicato, il solvente evapora e lascia uno strato cristallino che può generare elettricità tramite processo fotovoltaico.

La vernice a punti quantici è leggermente diversa, sia per come funziona, sia per la sua capacità di conversione energetica. I punti quantici sono dei minuscoli cristalli: delle nanoparticelle create da una base liquida e dei reagenti in laboratorio, le cui proprietà elettroniche dipendono dalle loro dimensioni. Regolando le loro dimensioni si può decidere quale spettro della luce dovranno assorbire e trasformare in energia. Durante il processo di creazione i punti quantici sono immersi in diverse soluzioni per evitare che si fondano tra di loro, le quali una volta stabilizzate saranno parte della vernice fotovoltaica.

Funzionamento delle vernici fotovoltaiche

La vernice fotovoltaica non è vernice nel senso comune del termine: non si può verniciare la facciata di casa per far sì che le pareti producano energia. Il suo utilizzo è pressoché lo stesso del silicio nei normali pannelli fotovoltaici, con la differenza che non presenta i suoi svantaggi. Può funzionare in condizioni di calore elevato, è leggera, e può essere trasparente. Può essere usata per stampe, e quindi essere applicata sui tessuti, e su superfici ricurve.

Alcuni dati

Le vernici a perovskite consentono una conversione energetica simile, se non superiore, ai pannelli al silicio, intorno al 25%. Rispetto a questo però, hanno il vantaggio di essere poco costose, facili da produrre e da installare, ma il difetto di patire l’umidità. Le vernici a punti quantici sono leggermente meno efficienti, con un tasso di conversione energetica che si aggira intorno al 18%. Hanno però, un enorme potenziale di crescita, si stima infatti che possano arrivare ad un tasso di conversione del 60%. Sono più resistenti agli agenti atmosferici rispetto a quelle a perovskite, ma anche più costose e complicate da produrre. Queste ultime sono perfette da utilizzare su una superficie trasparente. L’uso migliore di questi differenti tipi di vernici fotovoltaiche è quello in tandem, dato che possono essere utilizzate per assorbire lunghezze d’onda diverse della luce.

Il fotovoltaico di terza generazione è l’ultima ed attuale frontiera della produzione di energia elettrica dalla luce del sole. Si può dire che è nato con dall’idea che di trasformare ogni superficie un un pannello fotovoltaico. Riesci ad immaginare quale sarà il passo successivo per il fotovoltaico di quarta generazione?