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Un nuovo materiale green per il fotovoltaico, l’intervista al ricercatore

Vantaggi dell’edilizia a zero impatto energetico: semplicità di sintesi al risparmio energetico, miglior effetto estetico e maggiore sostenibilità. L'intervista al prof. Luca Beverina dell’Università Milano-Bicocca

Un recente studio, condotto da un team di ricercatori del Dipartimento di Scienza dei Materiali dell’Università degli Studi Milano Bicocca, ha messo a punto un nuovo materiale che potrebbe contribuire a raggiungere l’obiettivo di un’edilizia a zero impatto energetico. I vantaggi offerti da questo, spaziano dalla semplicità di sintesi al risparmio energetico, passando per un miglior effetto estetico e una maggiore sostenibilità.

Approfondiamo i dettagli della ricerca attraverso le parole del Professor Luca Beverina, professore ordinario di chimica organica presso l’Università statale Milano-Bicocca.

Salve Professor Beverina, in cosa consiste un Concentratore Solare Luminescente (LSC)?

Nella sua declinazione più semplice, un concentratore luminescente è costituito da una lastra di un materiale lavorabile a qualità ottica (vetro o un opportuno polimero) ed avente indice rifrazione superiore a quello dell’aria. Le caratteristiche ottiche della lastra vengono modificate incorporandovi un colorante luminescente in grado di assorbire efficientemente la radiazione solare incidente e di emetterla, a lunghezze d’onda superiori, all’interno della stessa. A questo punto, per effetto della differenza di indice di rifrazione tra la lastra stessa e l’aria, una parte della radiazione emessa viene convogliata verso i bordi a seguito del fenomeno della riflessione totale. Il fenomeno alla base di questo comportamento è lo stesso che determina il comportamento delle fibre ottiche; un concentratore luminescente ideale è infatti assimilabile ad una fibra ottica planare. Più alta è la differenza di indice di rifrazione, maggiore è la frazione di luce che viene guidata e concentrata verso i bordi della lastra.

Nel complesso quindi il dispositivo si comporta come una lente, è infatti in grado di assorbire luce dall’ambiente circostante, indipendentemente dal fatto che si tratti di luce diffusa o diretta, concentrandola presso i propri bordi, dove è possibile disporre celle solari standard in grado di convertirla in energia elettrica. Questa strategia ha due principali vantaggi: un forte risparmio sull’area attiva di dispositivi fotovoltaici necessaria (la lastra assorbe tutta la luce incidente sulla sua area esposta ma le celle fotovoltaiche devono corrispondere solo all’area dei bordi) e la capacità di rendere le normali celle al silicio operative anche in condizioni di illuminazione diffusa quali alba, tramonto o cielo coperto.

Qual è l’innovazione del LSC oggetto del vostro studio?

L’infinita versatilità dei materiali molecolari permette di scegliere la colorazione delle finestre tra un portfolio di colorazioni che include anche quelle trasparenti, che assorbono esclusivamente frazioni di luce infrarossa o ultravioletta. Se l’innovazione di prodotto è quella di aver sintetizzato una nuova molecola per lastre trasparenti, estremamente robusta, facilmente processabile e con un elevato rendimento dimostrato di conversione della luce in elettricità per questo tipo di dispositivo che non assorbe la luce visibile, l’innovazione di processo è quella maggiormente significativa: la molecola è disegnata a partire da principi razionali di sintesi chimica in modo da richiedere una sintesi semplice, rapida, efficiente e a basso impatto ambientale grazie alla rimozione dei solventi di processo. I passaggi chiave delle trasformazioni richieste sono infatti condotti con tecniche meccanochimiche: i reagenti sono miscelati a secco in un vibromiscelatore (industrialmente noto come mulino a sfere o ball miller) che garantisce elevate rese a bassi tempi di contatto anche in assenza di solvente. Dal punto di vista ambientale questa strategia ha un peso enorme nella riduzione del rapporto in peso tra scarto e prodotto (indicatore noto come E factor), uno dei più comuni indicatori di sostenibilità nella sintesi organica. Nel caso specifico, l’E Factor dimostrato è 50 volte inferiore rispetto a quello associato a altre molecole di efficienza confrontabile.

Quali benefici in termini di risparmio ed efficientamento energetico?

Un LSC non è progettato per avere la medesima efficienza di un pannello fotovoltaico comune. A differenza di quest’ultimo però, l’LSC ha piena integrabilità in edifici essendo integrabile senza eccessivo impatto sull’estetica nelle finestre.  Questo rende possibile sfruttare enormi superfici verticali inaccessibili ad altre tecnologie fotovoltaiche più impattanti per la generazione di energia elettrica.

Per fornire una semplice figura di merito, l'installazione degli LSC trasparenti non ottimizzati (Power Conversion Efficiency ~ 0.7%) al posto delle finestre e utilizzando celle PV c-Si (VOC = 0.65V e Fill Factor, FF = 0.7) come elemento convertente sulla facciata sud del One World Trade Center di New York City (superficie di vetro verticale = ¼ * 92903 m2 = 23225m2) genererebbe 0,55 GWh / anno, sufficienti per alimentare oltre 180 appartamenti per quattro persone. È inoltre importante considerare che i nostri LSC trasparenti funzionano con la lunghezza d'onda della luminescenza nella regione spettrale visibile, il che apre alla possibilità di impiegare tecnologie fotovoltaiche emergenti, come le celle solari a perovskite con sintonizzate spettralmente per abbinare la luminescenza guidata. Questa combinazione potrebbe aumentare notevolmente l'efficienza del singolo modulo degli LSC trasparenti a oltre il 3%, aumentando la produzione annua di energia a oltre 1,65 GWh / anno (coprendo il fabbisogno di oltre 500 appartamenti). Ciò è particolarmente impattante alla luce del fatto che il One World Trade Center è tra gli edifici più sostenibili al mondo, eppure non produce nulla della sua energia sul sito, poiché il design della torre non potrebbe allocare un parco eolico e il tetto è troppo piccolo (e già occupato con altri apparecchi) per l'installazione di pannelli solari su una superficie orizzontale.

In un’ottica di una transizione green del settore edile, quali sarebbero concretamente i vantaggi in termini di sostenibilità?

L’uso sistematico di questa tecnologia contribuirebbe sicuramente a raggiungere l’obiettivo di una edilizia a zero impatto energetico.

 

Autore

Simone Valeri

Simone Valeri

Laureato presso l'Università degli Studi di Roma "La Sapienza" in Scienze Ambientali prima, e in Ecobiologia poi. Divulgare, informare e sensibilizzare per infondere consapevolezza ecologica: fermamente convinto che sia il modo migliore per intraprendere la via della sostenibilità. Per questo, e soprattutto per passione, inizia a collaborare con diverse testate giornalistiche del settore ambientale e si dedica alla realizzazione di video-report per raccontare piccole realtà virtuose dedite all'agricoltura sostenibile in Italia. 
 
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