Un futuro fotovoltaico per le finestre

di Francesco Meinardi Sergio Brovelli da azero n.18- marzo 2016

Grazie al continuo aumento delle loro prestazioni e a programmi di incentivazione economica che hanno caratterizzato le politiche fiscali della maggior parte dei paesi occidentali, i pannelli fotovoltaici al silicio sono ormai da parecchi anni il principale strumento con cui produrre energia da fonti rinnovabili per il sostentamento di edifici a basso impatto ambientale. Nell’ultimo triennio si è poi verificato un calo del loro costo al dettaglio di quasi il 70%, per cui è oggi possibile rendere energeticamente indipendenti stabili di piccole dimensioni con un investimento iniziale che può essere recuperato in meno di un decennio. Il discorso cambia radicalmente in contesti a elevata urbanizzazione dove lo sviluppo dei fabbricati è prevalentemente verticale. Qui, a meno di interventi ad alto impatto architettonico, le superfici utilizzabili per la posa di impianti fotovoltaici tradizionali, cioè i tetti, non hanno dimensioni sufficienti per la produzione di tutta l’energia necessaria per soddisfare i bisogni degli edifici, dato che ancora oggi è necessario impegnare circa 7 m2 per ogni kW di potenza di picco installata. Ciò rende molto difficile soddisfare requisiti di sostenibilità come quelli decretati dalla Comunità Europea secondo cui, entro il 2020, tutti i nuovi edifici dovranno essere energeticamente neutri. Per questo motivo, centri di ricerca di tutto il mondo stanno attualmente studiando soluzioni innovative per la realizzazione di sistemi fotovoltaici che possano essere integrati direttamente nelle strutture di un immobile senza alternarne l’aspetto e senza influire sulla qualità della vita dei suoi occupanti. Proprio in questo ambito si sviluppa il progetto realizzato presso il Dipartimento di Scienza dei Materiali dell’Università di Milano Bicocca per la costruzione di concentratori solari luminescenti (LSC, dall’inglese Luminescent Solar Concentrator) a base di nanomateriali. Con essi sarà presto possibile trasformare finestre e vetrate da elementi puramente passivi, atti a provvedere solo all’isolamento di una costruzione, in dispositivi attivi in grado di partecipare alla produzione di elettricità in edifici a consumo di energia netto pari a zero (Zero-Energy Building).

I concertatori solari luminescenti

Fondamentalmente, gli LSC sono delle lastre di materiali plastici – come il plexiglas – in cui vengono inglobati dei cromofori, cioè dei materiali otticamente attivi. Essi hanno il compito di assorbire la radiazione solare e riemetterla all’interno della lastra in cui sono dispersi. Grazie al fenomeno della riflessione totale interna – lo stesso processo su cui si basa il funzionamento delle fibre ottiche per telecomunicazioni – una consistente frazione della luce così generata viene guidata verso i bordi esterni della lastra, dove può essere convertita in energia elettrica da piccole celle solari convenzionali istallate lungo il perimetro. Il nome concentratori deriva quindi dal fatto che la luce raccolta dalla grande superficie della lastra viene “concentrata” sulle sue piccole superfici laterali. Cambiando il tipo di cromoforo e la sua concentrazione, è possibile cambiare sia il grado di opacità delle lastre sia il loro colore, consentendo in questo modo di realizzare pannelli fotovoltaici facilmente integrabili in finestre o vetrate, coperture semitrasparenti, e rivestimenti per facciate.

Questo tipo di dispositivi venne immaginato per la prima volta già nella prima metà degli anni ‘70 al MIT di Boston, con l’obiettivo di ridurre la quantità di silicio, allora molto costoso, impiegato nei sistemi fotovoltaici. Curiosamente, però, il loro primo impiego non fu per il settore fotovoltaico bensì per la rilevazione della radiazione prodotta dai raggi cosmici quando questi interagiscono con gli strati superiori dell’atmosfera. In ogni caso, rispetto ai sistemi a concentrazione geometrica, cioè basati su lenti e specchi, che si stavano sviluppando nel medesimo periodo, gli LSC presentano il notevole vantaggio di non richiedere complessi sistemi di inseguimento del sole, poiché lavorano efficacemente anche a incidenza obliqua e con luce diffusa. L’attenzione per questa tecnologia ha sperimentato nei 40 anni della sua storia diverse oscillazioni, con picchi di interesse generalmente coincidenti con il succedersi delle varie crisi petrolifere, piuttosto che, come più di recente, con l’accresciuta coscienza ambientale dell’opinione pubblica mondiale. Il motivo per cui, a dispetto di oltre quattro decadi di ricerca, a tutt’oggi non sia possibile trovare sul mercato nessun LSC integrato in una finestra fotovoltaica, risiede in ultima istanza nell’amore delle leggi della fisica per la simmetria. Infatti, il principale fattore che limita le prestazioni degli LSC dipende dal fatto che tutti i cromofori “naturali” tendono ad assorbire non soltanto la radiazione solare ma anche quella da loro stessi riemessa, dato che i processi di assorbimento ed emissione della luce altro non sono che due facce della stessa medaglia. Questo fenomeno, detto autoassorbimento, fa sì che, anche se si è in grado di raccogliere e efficacemente l’energia solare, risulta molto difficile, se non impossibile, farla arrivare senza perdite importanti al bordo del concentratore. Ovviamente, il problema diventa tanto più drammatico quanto più grandi sono le dimensioni del concentratore in quanto al crescere della distanza che la luce deve percorrere dentro la lastra per raggiungere il bordo, aumenta parallelamente anche la probabilità di essere riassorbita. Di conseguenza, mentre esistono innumerevoli esempi di concetratori di pochi centimetri di lato con buone prestazioni, queste crollano drasticamente non appena si cerca di realizzare dispositivi di dimensioni compatibili con quanto richiesto da una qualsiasi applicazione in contesti reali.

Una nuova famiglia di cromofori

Per quasi tutta la loro storia, i cromofori utilizzati negli LSC sono appartenuti a due categorie: quella dei coloranti organici e quella delle nanoparticelle colloidali di semiconduttori. Con la prima si ha a disposizione tutta la potenza della chimica di sintesi che consente di variare con grande flessibilità le proprietà ottiche delle molecole organiche e, in qualche caso, anche di limitare il fenomeno del riassorbimento. Per contro, è molto difficile, se non impossibile, sfruttare efficacemente tutta la radiazione solare, e la stabilità di questi sistemi a esposizioni prolungate alla luce resta un’incognita. Per quanto riguarda invece le nanoparticelle a semiconduttore, esse sono estremamente stabili e, giocando con le loro dimensioni, è anche possibile ottenere dei buoni assorbimenti su una frazione consistente dello spettro solare. Per contro, presentano emissioni e assorbimenti perfettamente risonanti, per cui, in questi sistemi, il fenomeno dell’ auto-assorbimento è eccezionalmente pronunciato. Il lavoro di sviluppo di nuovi LSC a elevate prestazioni si è fin dall’inizio focalizzato su un tipo di nanoparticelle innovative, quelle etero-strutturate. Esse, anziché essere composte da un unico semiconduttore, sono il risultato di una doppia sintesi: dapprima si cresce una nanoparticella e successivamente essa viene ricoperta con un rivestimento di un secondo semiconduttore. Queste strutture a cuore-guscio o, in inglese, core-shell, quando opportunamente ingegnerizzate, permettono di assegnare a ogni loro porzione una specifica funzione. Ad esempio, è possibile separare il processo di emissione da quello di assorbimento eliminando il problema dell’auto-assorbimento. In particolare, se il guscio è significativamente più spesso della parte interna, esso sarà l’unico responsabile dell’assorbimento della luce. Successivamente trasferirà l’energia raccolta al cuore della nanoparticella e sarà quest’ultimo a rimetterla a lunghezze d’onda dove il sistema è sostanzialmente trasparente. Le nanoparticelle impiegate in questo progetto hanno un cuore di Seleniuro di Cadmio con un raggio di 1.5 nanometri, ricoperte con uno strato di Solfuro di Cadmio con spessori fino a 5 nanometri. Il rapporto tra il volume di guscio e cuore, che è il parametro fondamentale per determinare quanto efficacemente può essere soppresso il riassorbimento, risulta quindi essere superiore a 80, facendo di queste nanoparticelle dei candidati ideali per la realizzazione di LSC di grandi dimensioni. Dopo averne passivato le superfici con molecole organiche (ocido oleico), con il duplice scopo di proteggerle dalle interazione con le matrici in cui verranno utilizzate e di aumentarne la compatibilità con materiali plastici, le nanoparticelle sono state miscelate con il monomero precursore del Plexiglas. Questa miscela è stata quindi versata in uno stampo per lastre a facce piane e parallele e si è dato avvio a un processo di polimerizzazione termica derivato direttamente dalle procedure industriali. In questo modo sono stati ottenuti LSC di lunghezza anche superiore ai 20 cm, le cui dimensioni, è importante sottolinearlo, sono limitate unicamente dalla strumentazione disponibile in un laboratorio di ricerca che è pensata per realizzare prototipi piuttosto che dispositivi finiti. Come atteso, la loro caratterizzazione ottica ha dimostrato la completa assenza di autoassorbimento con minime perdite dovute essenzialmente a processi di diffusione della luce derivanti da piccole imperfezioni della matrice piuttosto che delle superfici. L’efficienza di conversione ottica (rapporto tra numero di fotoni raccolti al bordo / numero di fotoni assorbiti) della frazione blu-ultravioletta dello spettro solare ha raggiunto valori record di oltre il 10%. Inoltre, proiezioni ricavate da simulazioni di ray-tracing condotte a partire dai dati sperimentali indicano che, al contrario degli LSC tradizionali, queste prestazioni si conservano anche per dimensioni molto maggiori avvicinando sempre più questa tecnologia alle esigenze di dispositivi reali.

L’ultima frontiera

I risultati ottenuti nella prima parte del progetto, se da un lato dimostrano per la prima volta che è possibile realizzare LSC le cui dimensioni non sono più limitate da processi di autoassorbimento, dall’altro hanno messo in luce altri limiti che fino ad allora erano rimasti in secondo piano, nascosti dagli sforzi profusi per far raggiungere ai dispositivi dimensioni soddisfacenti. Questi erano di carattere tecnologico, ambientale ed estetico. In primo luogo le prestazioni complessive degli LSC erano ancora troppo basse, dato che essi sfruttavano efficacemente solo una piccola porzione di tutta la luce solare. Inoltre, le nanoparticelle impiegate contengono Cadmio, un elemento a moderata tossicità che è stato bandito dalla Comunità Europea, il quale pone indubbi problemi di smaltimento del prodotto alla fine del suo ciclo di utilizzo. Infine, analogamente agli LSC tradizionali, anche quelli a base di nanoparticelle etero-strutturate risultano fortemente colorati. Questo fattore, se da un lato non ne preclude l’eventuale impiego in contesti architettonici dal design particolare, di fatto ne rende l’utilizzo nell’edilizia convenzionale difficilmente proponibile. Per superare in un solo passaggio tutti i problemi sopra elencati si è sviluppata una classe completamente diversa di nanoparticelle, prive di ogni elemento tossico, che sfruttano il drogaggio intrinseco anziché l’eterostrutturazione per la separazione della funzione di assorbimento e di emissione della luce. Si tratta di nanosistemi a base di leghe di Solfuro e Seleniuro di Indio e Rame (CuInSexS2−x) le cui proprietà possono essere controllate operando sia sulla composizione che sulle dimensioni. Inglobandole, come descritto in precedenza, in matrici plastiche si sono quindi costruiti dei prototipi fino 150 cm2 di superficie che sono in grado di assorbire una porzione estremamente ampia dello spettro solare che va dal vicino ultravioletto fino al vicino infrarosso, comprendendo tutto l’intervallo del visibile. Questa eccezionale copertura spettrale, mai raggiunta prima in nessun altro tipo di LSC, ha permesso di ottenere efficienze di conversione della potenza luminosa in potenza elettrica fino al 3.2% con un grado di trasparenza delle lastre nella regione del visibile intorno all’80% (cioè solo il 20% della luce è utilizzato per la produzione di energia elettrica mentre il restante 80% attraversa il pannello per illuminare gli ambienti interni). Va inoltre sottolineato che per le nanoparticelle impiegate in questi LSC non è ancora stata completata la fase di affinamento della passivazione superficiale per cui esse non emettono con particolare efficienza la luce solare assorbita. Questo lascia margini di miglioramento delle prestazioni di oltre un fattore due, semplicemente intervenendo proprio su questo fattore. L’ultimo aspetto del tutto innovativo dei dispositivi realizzati con queste nanoparticelle riguarda proprio il loro aspetto. Grazie al comportamento omogeneo su tutto lo spettro della luce solare, essi risultano, infatti, essenzialmente incolori, apparendo del tutto simili alle lenti di un occhiale da sole piuttosto che alle pellicole che vengono comunemente applicate alle vetrate per ridurre l’insolazione degli ambienti interni. Essendo chiaramente questo un fattore chiave per la loro diffusione, è stata condotta una dettagliata analisi colorimetrica che copre tutti i modi in cui un pannello semitrasparente può influire sull’estetica di un edificio così come sulla qualità della vita di chi lo abita. Per quanto riguarda esplicitamente il colore di queste lastre esso risulta avere coordinate CIE L*a*b* pari a L* = 56.6, a* = 5.1 and b* = 32.1 che le collocano nella zona dei bruni scuri dell’atlante di Munsell, particolarmente poco impattanti sull’armonia di una costruzione. Analoghe considerazioni valgono per la qualità della luce trasmessa. La luce solare filtrata dagli LSC dà luogo a una sorgente luminosa con un CRI (indice di resa cromatica) di 91 che secondo la norma UNI 10380 la colloca nel gruppo 1A, quello delle sorgenti di massima qualità idonee per l’illuminazione di abitazioni, studi grafici, ospedali ecc. Analoghe considerazioni possono essere fatte circa la distorsione dei colori percepiti osservando verso l’esterno (visione indoor to outdoor). In questo caso non esistono né norme specifiche né protocolli di misurazione consolidati, per cui si è scelto di effettuare un test, il Farnsworth-Munsell 100, utilizzato sia in medicina come screening per individuare le varie forme di daltonismo, sia da molte compagnie che operano in settori che vanno dal design, alla fotografia, alla grafica per valutare la sensibilità al colore dei loro addetti. I risultati di questa indagine hanno inequivocabilmente dimostrato che gli LSC a base di naoparticelle di CuInSexS2−x non distorcono significativamente la percezione dei colori, al contrario di quanto avviene con quelli basati su cromofori di vecchia concezione che immancabilmente producono alterazioni assimilabili a forme di daltonismo da moderate a severe. Nel complesso, queste analisi hanno dimostrato il bassissimo impatto di questa tecnologia che indubbiamente dovrebbe favorirne la diffusione rispetto a tutti gli altri approcci con cui si è, negli anni, cercato di ottenere finestre fotovoltaiche; approcci che, invariabilmente, hanno mostrato controindicazioni estetiche così come effetti negativi sul confort abitativo.

Rapporto costi/benefici

È evidente che qualsiasi sistema di produzione dell’energia, per risultare utilizzabile in un contesto reale, deve risultare economicamente vantaggioso. Immaginando di integrare gli LSC in serramenti a doppio o triplo vetro gli extra costi rispetto a una corrispondente finestra passiva, sarebbero dovuti essenzialmente al costo delle nanoparticelle. Infatti, le piccole celle convenzionali al silicio da installare sui bordi sono così economiche da non incidere per più di qualche euro a metro quadrato, mentre i costi di cablaggio potrebbero essere anch’essi modesti se questi dispositivi venissero installati in contesti già predisposti per lo sfruttamento dell’energia solare e quindi già dotati di inverter ed eventualmente sistemi di accumulo dell’energia. Allo stato attuale, le nanoparticelle non vengono prodotte su larga scala, però, considerando i reagenti di partenza e la semplicità di sintesi, stime accettate a livello internazionale indicano come ragionevoli costi compresi tra i 5 e i 10 Euro al grammo per grandi produzioni. Dato che per LSC come quelli prototipati in questo progetto sono necessari circa 20 g/m2 di nanoparticelle, l’extra costo massimo per il dispositivo dovrebbe essere intorno ai 200 Euro/m2, tra l’altro ulteriormente riducibile se si riuscissero a utilizzare nanoparticelle ancora più economiche, che sono attualmente in fase di sviluppo. Per valutare l’energia prodotta, si immagini di utilizzare finestre fotovoltaiche anche solo con efficienza del 5% per ricoprire unicamente la facciata rivolta a sud di un edificio come il famoso Shard di Londra che ha vetrate sui diversi lati per complessivi 56.000 m2. Assumendo per le perdite il valore tipico di un impianto fotovoltaico del 14%, l’energia prodotta dalla facciata dell’edicio ammonterebbe, alle latitudini del nord Italia, a circa 0.62 MWh/anno, equivalenti ai consumi tipici di 150 appartamenti abitati da famiglie di 4 persone. Inutile sottolineare che tanto aumenti di efficienza quanto l’impiego degli LSC su più facciate aumenterebbero la produzione di energia elettrica. Questi numeri non solo sono sovrapponibili a quelli del fotovoltaico tradizionale di pochi anni fa, ma non considerano i vantaggi collaterali connessi con il fatto di ridurre l’insolazione degli ambienti interni. Per edifici caratterizzati da grandi facciate, specialmente alle latitudini più basse, è infatti sempre necessario installare sistemi di oscuramento delle vetrate o sistemi di condizionamento estremamente costosi al fine di mantenere la temperatura interna a livelli confortevoli. In un LSC, il grado di trasparenza può essere determinato in fase di produzione al fine di ottenere, per le specifiche condizioni ambientali di ciascuna installazione, il miglior compromesso tra energia assorbita, e quindi minor surriscaldamento e maggior produzione di energia, e quantità di luce naturale disponibile per l’illuminazione indoor spostando ulteriormente l’ago della bilancia dalla parte dei benefici rispetto a quella dei costi.

Conclusioni

Questo progetto, realizzato con contributi della Comunità Europea e della Fondazione Cariplo, ha dimostrato come produrre LSC di grandi dimensioni e buone efficienze di conversione utilizzando nanoparticelle opportunamente ingegnerizzate. I prototipi realizzati impiegano materiali dai costi non proibitivi, stabili e non tossici né inquinanti. Inoltre, essi possono essere facilmente integrati in un vasto numero di contesti architettonici, grazie a un impatto estetico praticamente nullo. Gli LSC diventano, quindi, oggi la più promettente tecnologia con cui realizzare, in un prossimo futuro, finestre fotovoltaiche con cui affiancare i tradizionali pannelli solari al silicio laddove, per realizzare edifici energeticamente neutri, sia necessario sfruttare tutte le superfici disponibili per la produzione di energia pulita.

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