L’energia fotovoltaica come fonte di generazione di energia per ambienti interni (case, uffici, stabilimenti, ecc.) - con pannelli fotovoltaici flessibili e ultra-sottili - sta riscontrando molto interesse da parte della comunità scientifica internazionale, soprattutto per via di domotica e IoT (Internet of Things) che richiedono una raccolta di energia efficiente e facile da integrare. Un team di ricerca internazionale, cui prende parte anche l’Italia con il Polo Solare Organico, Dipartimento di Ingegneria Elettronica dell’Università di Roma “Tor Vergata”, ha pubblicato pochissimi giorni fa un articolo sulla rivista scientifica a libero accesso “Cell Reports Physical Science”, per dimostrare l’efficacia dei pannelli solari flessibili, in particolare celle fotovoltaiche di perovskite prodotte su substrati di vetro flessibile ultra-sottile e ad alta efficienza.

Generare energia fotovoltaica con pannelli fotovoltaici flessibili in ambienti chiusi, senza quindi l’esposizione alla luce solare (e alla sua energia), è una sfida che richiede al mondo della Ricerca uno sforzo continuo nell’ambito dello studio dei materiali e delle loro proprietà. Sfida accolta da un team internazionale costituito da ricercatori di tre Paesi, tra cui anche l’Italia (insieme a Colombia e Germania), che ha recentemente dimostrato come sia possibile la generazione di energia fotovoltaica in ambienti interni usando celle fotovoltaiche flessibili di perovskite (minerale costituito da titanato di calcio), fabbricate su substrati di vetro flessibile ultra-sottile.

PERCHÉ

Pannelli fotovoltaici flessibili: l’Internet of Things e la Smart Home spingono verso nuove fonti di energia

L’evoluzione dell’Internet of Things, in particolare nell’ambito della Smart Home, include lo sviluppo di sensori wireless autonomi ed elettronica a basso consumo energetico. Tutti dispositivi che necessitano di essere alimentati e che hanno quindi bisogno di sistemi di raccolta di energia efficienti e facili da integrare.

Secondo quanto riportato nella pubblicazione scientifica prodotta dal team di ricerca internazionale, il fotovoltaico indoor ha il potenziale per consentire lo sviluppo di sensori wireless autonomi (miliardi i sensori wireless che dovrebbero essere installati nel prossimo decennio), elettronica di consumo a bassa potenza e l’ecosistema Internet of Things, in quanto elimina la necessità di utilizzo e sostituzione delle batterie, riduce il consumo di energia negli edifici e consente l’indipendenza dalla rete elettrica.

«Le fonti di energia fotovoltaica per uso interno, su substrati flessibili e pieghevoli ultrasottili, avranno il potenziale per facilitare queste innovazioni tecnologiche se possono fornire energia sufficiente ai componenti elettronici, pur rimanendo piccoli, convenienti ed economici. Questo tipo di generazione di energia eliminerà la necessità di batterie (la cui sostituzione implica costi e lavoro) e garantirà una integrazione molto agevole», scrive il ricercatore Thomas M. Brown, Professore Associato presso il Dipartimento di Ingegneria Elettronica dell’Università degli Studi di Roma “Tor Vergata” (co-autore del paper pubblicato su ScienceDirect insieme a Sergio Castro-Hermosa, Giulia Lucarelli, Michiel Top, Matthias Fahland, John Fahlteich).

COSA

Energia fotovoltaica in ambienti chiusi: le potenzialità delle celle solari di perovskite

Il team di ricerca è riuscito a sviluppare celle fotovoltaiche a perovskite su vetro ultrasottile (100 micron di spessore) che hanno delle efficienze più alte rispetto ai pannelli fotovoltaici flessibili per indoor sviluppati in precedenza (dalla ricerca risultano efficienze superiori di oltre il 20%).

Lo sviluppo di Celle Solari di Perovskite (PSC) non è nuovo nell’ambito della ricerca. Le proprietà della perovskite (rispetto al silicio, materiale di base con cui si sono sviluppati i pannelli solari di prima e seconda generazione), in particolare la capacità di assorbire la luce e di trattenere energia in celle di spessore minore al micrometro (come comparazione: per catturare e trattenere la stessa energia con pannelli solari in silicio sono necessarie celle di spessore di circa 180 micrometri), hanno fatto sì che la comunità scientifica internazionale concentrasse l’attenzione su questo nuovo materiale (anche se nuovo non è; il materiale è noto da oltre un secolo ma non era mai stato sfruttato per le celle solari).

Le celle solari di perovskite hanno raggiunto efficienze di conversione di potenza certificate (PCE) del 25,2% quando testate in condizioni di test standard (1.000 W m – 2 (1 sole) illuminazione, spettro sorgente AM1.5G, 25 ° C). Oggi il fotovoltaico di nuova generazione, come le celle solari di perovskite ha prodotto PCE straordinari che si avvicinano al 25% -30% a bassa illuminazione, tipicamente presente nella maggior parte degli ambienti chiusi, come case e uffici (200–500 lx) e persino superiori al 30% negli ambienti più specifici e limitati di 1.000 lx (per esempio nei supermercati), quando testati con diodi a emissione di luce artificiale (LED) o illuminazione a lampada fluorescente, superando tutte le altre tecnologie fotovoltaiche (ad esempio celle a base di silicio e film sottile) testate a bassi livelli di luce.

«Le celle fotovoltaiche devono essere sviluppate su substrati flessibili sottili che possono offrire prestazioni eccellenti sotto l’illuminazione artificiale interna con lo spettro e i livelli di illuminazione tipici di case, negozi e uffici (cioè 100-500 lux). Questi valori sono tra 2 e 3 ordini di grandezza inferiori a quelli rilevati all’aperto sotto il sole (e che vengono utilizzati come condizioni di misura standard per le tipiche celle fotovoltaiche)», spiega il Prof. Brown.

COME

Pannelli solari flessibili, il vetro ultra-sottile come alternativa alla plastica

Le massime efficienze riportate dalle celle solari di perovskite in condizioni interne sono state raggiunte su substrati di vetro rigidi. Tuttavia, per integrare con successo le celle solari nell’elettronica interna e nei prodotti portatili, le celle sottili flessibili e curvabili rappresentano la scelta migliore. Sottili substrati flessibili consentono anche processi di fabbricazione a basso costo, come la produzione roll-to-roll (R2R).

Ecco dunque a cosa ha lavorato il team di ricerca: generazione di energia in ambienti interni usando celle fotovoltaiche flessibili di perovskite, fabbricate su substrati di vetro flessibile ultra-sottile rivestiti di ITO (ossido di indio e stagno) depositato con il metodo roll-to-roll (processo di creazione di dispositivi elettronici su un rotolo di plastica flessibile o lamine di metallo che consente stampa e produzione su vasta scala).

La ricerca ha da tempo studiato il modo di produrre celle solari di perovskite utilizzando processi di fabbricazione a bassa temperatura su film polimerici flessibili, come polietilentereftalato (PET) e polietilenftalato (PEN), e anche su substrati non convenzionali, come la carta e altri derivati ​​della cellulosa.

Ciò su cui si è concentrato invece questo team di ricerca è lo sviluppo di un vetro flessibile ultrasottile conduttivo come alternativa al PET per la sua compatibilità con il trattamento ad alta temperatura (fino a 700 ° C) e perché possiede notevoli proprietà di barriera a vapore acqueo e gas (il vetro, anche nella sua forma flessibile, crea una barriera eccezionalmente efficace contro la permeazione di quei gas noti per la tendenza a far degradare i materiali a perovskite).

«Le efficienze ottenute rappresentano le più elevate riportate per qualsiasi tecnologia di celle fotovoltaiche flessibili e pieghevoli per interni, oltre a superare del 60-90% le precedenti celle di perovskite su substrati flessibili», scrive il Prof. Brown. «Le potenze specifiche in Watt erogate per grammo di peso (W/g) sono superiori del 40-55% rispetto alla loro controparte su film plastici in PET, e sono di un ordine di grandezza superiore a quelle su vetro rigido».

Caratteristiche quelle studiate dal team di ricerca che sottolineano le potenzialità di integrazione di questi dispositivi ultra-sottili e ultra-leggeri nei componenti elettronici per interni, dai sensori ai dispositivi di vario genere dell’elettronica di consumo.

APPROFONDIMENTI

I risultati sono pubblicati in Cell Reports Physical Science (open access):

“Perovskite Photovoltaics on Roll-To-Roll Coated Ultra-thin Glass as Flexible High-Efficiency Indoor Power-Generators” (Dispositivi Fotovoltaici di Perovskite su Vetro Ultrasottile, Rivestiti con il Metodo Roll-to-Roll, quali Generatori di Alta Efficienza per Uso Interno); Sergio Castro-Hermosa, Giulia Lucarelli, Michiel Top, Matthias Fahland, John Fahlteich, Thomas M. Brown; https://www.sciencedirect.com/

I membri del progetto sono:

– CHOSE (Centre for Hybrid and Organic Solar Energy) – Il Polo Solare Organico, Dipartimento di Ingegneria Elettronica dell’Università degli Studi di Roma Tor Vergata (Italia);

– GHIDA (Gruppo di Ingegneria Idraulica e Sviluppo Agrario), Facoltà di Ingegneria, Universidad Surcolombiana, Neiva (Colombia);

– FEP (Istituto Fraunhofer per l’Elettronica Organica, la Tecnologia dei Fasci Elettronici e del Plasma), Dresda (Germania).