Vetri fotovoltaici: un brevetto tutto italiano

di Antonia Lamari da Serramenti+Design Dicembre 2015

Uno studio sviluppato all’Università degli Studi di Milano-Bicocca è riuscito dove in molti avevano fallito: ora le finestre potranno diventare fotovoltaiche integrando nella componente trasparente pannelli contenenti speciali nanoparticelle fluorescenti che catturano e concentrano la luce solare trasformando la finestra in un più efficiente trasformatore di energia di quanto non lo sia l’utilizzo di un mosaico di celle al silicio.

Era il 1974 quando un architetto ebbe per primo l’idea di utilizzare concentratori solari luminescenti (LSC, Luminescent Solar Concentrators) che andassero a integrare l’uso di pannelli solari al silicio come fonte rinnovabile per produrre energia elettrica per scopi civili. Da allora l’interesse per questa tematica è stato altalenante e senza drastici colpi di scena poiché, dimostrato che in linea di principio si trattava di una tecnologia realizzabile, nessuno studio aveva mai ottenuto delle prestazioni tali da permetterne l’applicazione in contesti reali. Dopo tanti anni, la prima vera novità arriva dal team di ricerca del Dipartimento di Scienza dei Materiali dell’Università degli Studi di Milano-Bicocca coordinato dai professori Francesco Meinardi e Sergio Brovelli che ha messo a punto dei concentratori solari a nanoparticelle descritti nello studio “Highly efficient large-area colourless luminescent solar concentrators using heavy-metal-free colloidal quantum dots” pubblicato sulla rivista “Nature Nanotechnology”. Le plastiche fotovoltaiche sviluppate in Bicocca, a poco più di un anno dalla pubblicazione di un primo studio dello stesso team che ne dimostrava i vantaggi rispetto alle tecnologie tradizionali a base di coloranti organici, concretizzano il sogno di realizzare concentratori solari luminescenti e sono ora una tecnologia che aspetta solo di essere prodotta su larga scala.

Soluzioni inedite a problemi noti

Il cammino verso la soluzione dei numerosi punti critici per la realizzazione di LSC efficienti è stato lungo ma, secondo i professori Meinardi e Brovelli, è questione di poche altre verifiche per arrivare ad un prodotto che rivoluzionerà il concetto di edilizia sostenibile e di rinnovabili per uso civile. Uno dei fattori che maggiormente ha rallentato lo sviluppo di questi sistemi era la loro bassissima efficienza dovuta al fatto che le stesse molecole responsabili dell’assorbimento della luce solare riassorbivano anche la luce da loro stessi emessa mentre questa attraversava il dispositivo. Questo impediva che la luce intrappolata raggiungesse il bordo dell’LSC dove delle piccole celle solari poste lungo il perimetro della lastra hanno il compito di raccoglierla e convertirla in elettricità. Il problema è stato bypassato utilizzando speciali nanoparticelle inorganiche che non riassorbono la luce che loro stesse hanno emesso. Queste piccole sfere costituite da poche migliaia di atomi sintetizzate dal team dell’Università Milano-Bicocca fanno parte di una classe di nanoparticelle in cui la proprietà di assorbire e di emettere la luce è completamente disaccoppiata. Inoltre questi nanomateriali risolvono contestualmente altri due grossi problemi per l’applicazione di LSC come complementi architettonici: eliminano la tossicità costituita dalla presenza di cadmio o di altri metalli pesanti nelle nanoparticelle finora testate per questo utilizzo ed permettono di ottenere dispositivi incolori. Infatti per l’applicazione in edilizia civile, l’impatto estetico è di fondamentale importanza perché una soluzione tecnologica venga accolta senza pregiudizi.

Tecnologia pronta all’uso

Non è il caso di fare un rapporto tra costo di impianto fotovoltaico da tetto e concentratori solari luminescenti, data la diversa finalità di queste tecnologie. Non regge neanche il confronto con le finestre fotovoltaiche composte da un mosaico di celle al silicio racchiuse tra due lastre di vetro (efficienza attorno al 4-5%) che, oltre ad essere molto impattanti dal punto di vista estetico, hanno ad oggi un costo molto elevato. In realtà il confronto che è lecito fare è tra una normale finestra a doppio vetro e una fotovoltaica a concentrazione solare, in cui al valore di una finestra passiva tradizionale è aggiunta la capacità di produrre energia pulita. I dispositivi made in Bicocca, secondo stime indicative che tengono conto del costo della componente aggiuntiva senza inverter e cablatura della finestra, avrebbero un prezzo al m2 confrontabile con quello delle schermature anti infrarossi (circa 50 euro/m2) con il vantaggio della produzione di elettricità. Un altro vantaggio derivante dall’utilizzo del nuovo dispositivo è che la matrice è di plexiglass, un materiale economico e già molto usato. Inoltre, se i coloranti organici non sono durevoli poiché reagiscono con l’ossigeno, le nanoparticelle inorganiche utilizzate per questi dispositivi sono a base di semiconduttori come il silicio, quindi sono stabili il tempo e non soffrono per l’esposizione alla luce solare. Come ci informano Meinardi e Brovelli, l’economia di scala determinerà il costo finale di questa tecnologia che ad oggi non è ancora sul mercato. Per quanto riguarda l’efficienza, i due studiosi hanno realizzato dei dispositivi al 3% con particelle di efficienza di conversione del 40%, ma assicurano che c’è molto spazio per aumentare l’efficienza fino al 6% utilizzando nanoparticelle con l’80-90% di efficienza di conversione. Poi c’è la scelta della trasparenza: il dispositivo con assorbimento di luce maggiore tra quelli finora studiati assorbe il 20% della luce del sole ovvero solo 1/5. Con una concentrazione di nanoparticelle maggiore è possibile realizzare finestre progressivamente più oscuranti raddoppiando facilmente l’efficienza fino ad oltre il 10% (per intenderci: circa la metà di un pannello fotovoltaico di ultima generazione). Ulteriori miglioramenti saranno infine possibili ottimizzando la qualità ottica della matrice polimerica, ovvero della superficie della lastra, per ottenere plexiglass ad altissima qualità ottica e ultraliscio.

Dal laboratorio alla produzione

Nel laboratorio dell’Università di Milano-Bicocca sono state fatte tutte le analisi del caso e realizzato i prototipi, essi sono stati caratterizzati in termini di proprietà ottiche, efficienza fotovoltaica e colorimetria. Tramite dei modelli al computer sono state simulate le proprietà di dispositivi più grandi e sono state fatte delle prove che dimostrano che l’incorporazione delle nano particelle all’interno del plexiglass non le danneggia. Uno degli ultimi passi che rimangono da fare è la prototipazione di lastre di grandi dimensioni (da 50 cm di lato in su) che, con i finanziamenti adeguati, secondo gli studiosi potrebbero portare a prodotto pronti per l’industrializzazione in uno o due anni. Una volta prodotti LSC ottimizzati, non resterà che il loro inserimento in infissi tradizionali. Per quanto riguarda la connessione alla rete elettrica delle celle solari poste lungo il perimetro della lastra la soluzione più semplice ed immediata potrebbe essere l’impiego di un unico inverter centralizzato come negli impianti fotovoltaici tradizionali, anche se nel medio termine un sistema più efficiente potrebbe prevedere micro-inverter singoli per ciascuna finestra. Questa scoperta permetterà di progettare edifici che più alti saranno maggiore sarà l’apporto di energia elettrica prodotta dalle loro facciate convertite in concentratori solari luminescenti. Le caratteristiche, mai ottenute finora, di avere elevata efficienza fotovoltaica e di essere lastre essenzialmente incolori, molto simili per aspetto alle tipiche lenti degli occhiali da sole grigio-brune, permetterà a queste nuove finestre fotovoltaiche di integrarsi in modo invisibile nel contesto urbano migliorandone grandemente la sostenibilità energetica. Le stime indicano che, sostituendo le vetrate tradizionali di un grattacielo come lo Shard di Londra con i concentratori solari brevettati in Bicocca, si genererebbe l’energia necessaria alla totale auto-sostenibilità di circa 300 appartamenti. Se si aggiungono a queste cifre il risparmio energetico derivante dal ridotto ricorso al condizionamento ambientale, grazie all’attenuazione della luce solare da parte dei concentratori solari che limita il sovra-riscaldamento degli edifici, si otterrà una tecnologia potenzialmente rivoluzionaria per le città a energia zero del futuro.

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