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by Leonardo Milla from Photon- Il mensile del fotovoltaico February2017

Già due anni fa PHOTON si era occupato di Emilio Sassone Corsi e della sua «Management Innovation», società di consulenza e sviluppo di idee innovative per il mercato. Ai tempi lavorava a un sistema di accumulo a fluidi. Il progetto prendeva spunto da un brevetto dell’Università di Harvard acquisito e poi sviluppato dalla start-up Green Energy Storage in collaborazione con l’Università di Roma di Tor Vergata. In pochi mesi dal progetto è nato un prototipo, presentato a Roma alla fine dello scorso anno. Intanto però a Milano un altro progetto ha attirato l’attenzione della Management Innovation. All’Università della Bicocca infatti due docenti stavano da tempo conducendo ricerche sui concentratori solari luminescenti (Luminescent Solar Concentrators, LSC), ovvero lastre trasparenti di materiale plastico, coperte o drogate con nanoparticelle (cromofori) in grado di indirizzare l’energia fotonica, concentrandola, verso i bordi delle lastre stesse, dove piccole celle fotovoltaiche riescono a convertirla in energia elettrica. Dalle ricerche di questo team del Dipartimento di Scienze dei Materiali, guidato da Francesco Meinardi e Sergio Brovelli, è nato lo spin- off «Glass to Power», società con un capitale iniziale di 300.000 euro e progetti di ampliamento per il futuro (si parla di un aumento di capitale da 1,5 milioni da realizzare proprio in questi mesi). Della società fanno parte, oltre all’università, ai due docenti e alla citata Management Innovation, anche realtà industriali come De Nora (già presente in Green Energy Storage) e diversi altri investitori.

Efficienze basse, superfici ampie

Queste « finestre fotovoltaiche» non hanno ancora efficienze comparabili con quelle dei moduli di silicio o di altre tecnologie, si viaggia per ora su valori intorno al tre per cento. L’area investita dalla luce solare però è molto superiore a quella, costituita da celle al silicio sistemate sui bordi, dove anzi i fotoni vengono indirizzati dopo essere stati concentrati. Soprattutto, le finestre LSC hanno dalla loro il vantaggio di essere molto più trasparenti di ogni alternativa assemblata con celle a film sottile, e di poter dunque sostituire le comuni finestre negli edifici senza eccessive perdite di luce. «I nostri dispositivi non intendono sostituire, bensì aggiungersi ai moduli solari opachi tradizionali che non possono per loro natura essere utilizzati come finestre», conferma Sergio Brovelli.

«Quantum dots» senza cadmio

Il lavoro dell’università di Milano si è concentrato nella ricerca del materiale ideale per convogliare l’energia fino ai bordi della lastra. I composti utilizzati finora infatti hanno palesato problemi che ne hanno ridotto drasticamente l’efficienza. Oltre ad assorbire solo uno spettro limitato della luce solare, i cromofori tradizionali emettono elettroni ma questi, invece che essere convogliati ai bordi, vengono in buona parte riassorbiti dagli atomi adiacenti. Un problema che si amplifica in presenza di superfici estese, come appunto quella di una finestra, dove aumenta il percorso che l’elettrone deve compiere per raggiungere il bordo e quindi aumentano le possibilità di riassorbimento. I team di ricercatori di Milano ha fatto ricorso ai «quantum dots» (o punti quantici). A una prima fase di sperimentazioni in cui si è fatto ricorso a punti quantici costituiti da atomi di cadmio e altri metalli pesanti, molto impattanti sull’ambiente, la ricerca si è indirizzata su composti di tre elementi non tossici del I-III e VI gruppo della tavola periodica (disolfuro o diseleniuro di indio rame, CuInS2, CuInSe2), ricoperti da uno strato di solfuro di zinco. Saranno questi i materiali su cui si punterà per portare il prodotto sul mercato. L’efficienza ottica raggiunta è del 3,2 per cento, il lavoro del team è stato pubblicato sulla rivista Nature ed è stato selezionato per la fase finale degli R&D 100 Awards 2016. «Le nostre nanoparticelle, avendo proprietà di assorbimento ottico e di fluorescenza completamente disaccoppiate, sopprimono completamente le perdite ottiche dovute al riassorbimento della luce generata all’interno del concentratore. Questo è il limite più stringente di ogni altra classe di emettitori utilizzati in LSC», spiega Brovelli.

La trasparenza fa la differenza

Un ulteriore beneficio dei cromofori utilizzati dall’Università Bicocca è la neutralità cromatica, che facilita l’impatto delle vetrate nella vita di tutti i giorni. «I nostri prototipi hanno una trasparenza del 70 per cento – spiega Brovelli – Le nostre proiezioni indicano che ottimizzando la resa ottica delle nanoparticelle dal 50 per cento attuale al 90 per cento circa è possibile ottenere dispositivi con efficienza di oltre il cinque per cento per metro quadrato con trasparenze superiori al 40 per cento. Teniamo conto che la trasparenza tipica di pannelli in silicio a film sottile si aggira tra il 10 e il 20 per cento». Per le celle fotovoltaiche da accoppiare alle finestre LSC si sta pensando a celle custom made in silicio monocristallino ad alta efficienza. Celle costose, ma in grado di ottimizzare il fattore di contrazione della luce ottenuto con i cromofori, e inoltre «tarate» sulla frequenza di emissione in modo da aumentarne l’efficienza.

Un mercato enorme

Il mercato potenziale è enorme e coincide con quello del fotovoltaico integrato negli edifici (Building Integrated Photovoltaic, BIPV) e dei «Nearly zero-energy buildings» (NZEB), ovvero edifici a consumo di energia quasi zero perché particolarmente efficienti o perché, per l’appunto, in grado di produrre da fonti rinnovabili buona parte dell’energia di cui necessitano. Un mercato, è stato stimato, che arriverà a valere 26 miliardi di dollari nel 2022, e che si concentrerà soprattutto in Europa, dove una direttiva comunitaria impone che le nuove costruzioni a partire dal 31.12.2020 siano NZEB, termine anticipato di due anni per gli edifici pubblici.

Glass to Power conta di lanciarsi in questo mercato a partire dal 2018. Almeno queste sono le intenzioni: «La nostra pianificazione prevede la prototipazione di dispositivi con caratteristiche pre-industriali in 12- 18 mesi e successivamente il passaggio a scale produttive industriali. Attualmente abbiamo partner industriali in Italia e in Europa attivi in tutte le fasi del processo, dalla produzione di nanoparticelle e di poliacrilati pigmentati di alta qualità alla realizzazione di soluzioni mirate per la fabbricazione di vetrocamere a LSC» spiega Brovelli. Il processo produttivo, aggiunge, è sostanzialmente identico a quello di produzione di lastre poliacriliche per colata. Il dispositivo complessivo, in una sua possibile forma, prevede «l’inserimento della lastra LSC come pannello interno di una vetrocamera a tripla, effettivamente sostituendo il vetro passivo centrale». Anche in questo caso esistono già procedure industriali per la produzione di finestre cablate che si tratta di adattare al caso specifico LSC. Per quanto riguarda cablatura e inverter, la tecnologia utilizzata sarà analoga a quella utilizzata nelle finestre laminate contenenti mosaicature di piccoli pannelli fotovoltaici tradizionali al silicio. Glass to Power inoltre sta valutando l’utilizzo di microinverter.

Costi del 10-15 per cento superiori a una finestra «passiva»

Glass to Power non è l’unica realtà che punta all’allargamento del mercato BIPV. Nel numero di settembre 2016 PHOTON ha parlato dei progetti legati alle facciate fotovoltaiche dei palazzi, che hanno efficienze superiori (11-12 per cento), potenze di 150-160 watt a metro quadro e costi indicativi intorno ai 150 euro al metro quadro per il solo modulo, e fino ai 300 euro al metro quadrato per il sistema chiavi in mano. Secondo Brovelli però il confronto economico non va fatto con questi moduli integrabili nella facciata ma con il costo di una finestra normale, ovvero «passiva». E qui aggiunge che una finestra fotovoltaica costerà presumibilmente il 10-15 per cento in più rispetto a una finestra passiva a triplo vetro. Considerato che le potenze a oggi non superano i 50 watt al metro quadrato, le stime di Glass to Power di un costo al watt di 1,3-1,7 dollari restituiscono un costo medio al metro quadrato di 65-85 dollari, al netto di costi di installazione e di cablaggio. Costi ed efficienze sono commensurabili a quelli delle «solar windows» tradizionali, con celle a film sottile applicate al vetro. In questo caso però è la maggiore trasparenza a giocare a favore della tecnologia LSC. In un mercato potenzialmente sterminato come quello dell’edilizia a impatto zero ci sarà spazio anche per una competizione tecnologica combattuta all’ultima finestra fotovoltaica.

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