Tu sei qui: Home Didattica Scienza dei Materiali Informazioni generali La storia I Materiali per l’energetica

I Materiali per l’energetica

Lo sviluppo della scienza dei materiali tra XX e XXI secolo ha raccolto l’antica sfida di creare materiali nuovi tali da consentire tecnologie nuove in grado di migliorare la qualità della vita umana. Tra queste sfide, quella energetica è senz’altro tra le più importanti. Per molti millenni i materiali sono serviti a produrre energia unicamente per via chimica. Il carbone bruciato nelle caldaie dei motori a combustione esterna ha consentito le prime forme di locomozione non basate sull'impiego dell'energia animale − ed è stato all'origine della prima rivoluzione industriale. Ma già verso la fine del Settecento, con i primi studi di elettrologia, Alessandro Volta osservò non solo che spugne imbevute di opportune soluzioni potevano consentire l'accumulo di energia (pila elettrochimica di Volta − 1799) ma anche che coppie di metalli con giunzioni tenute a temperature differenti consentivano di generare piccole quantità di potenza elettrica (effetto termoelettrico, osservato da Volta nel 1794). E’ di qualche decennio più tardi (1834) la scoperta dell'effetto fotovoltaico, cioè della possibilità di generare correnti elettriche illuminando una giunzione tra due materiali differenti. Nessuno di questi fenomeni fisici trovò tuttavia applicazione pratica per molti decenni dopo la loro scoperta. La prima pila commerciale raggiunse il mercato solo nel 1896 mentre le prime applicazioni dell'effetto fotoelettrico nelle cellule fotoelettriche risale al 1920. Altrettanto dicasi per il fotovoltaico, che trovò inizialmente impiego solo nelle tecnologie spaziali e che fece ingresso nelle tecnologie civili nel 1954, diventando la più importante e diffusa fonte rinnovabile di energia solo in anni relativamente recenti. Ancora una volta, quello che fece la differenza tra un fenomeno naturale e lo sviluppo di una tecnologia su di esso fondato fu la disponibilità di materiali in grado di rendere lo sfruttamento pratico di un fenomeno qualcosa di economicamente conveniente ed ambientalmente sostenibile.

Sul versante della generazione elettrica per effetto fotovoltaico il silicio è stata la prima scelta fatta nel campo del fotovoltaico, e assolve ancora oggi un ruolo primario in questo ambito essenzialmente in ragione della capacità tecnologica di ottenere silicio virtualmente privo di difetti in maniera affidabile. Pannelli fotovoltaici di silicio fornirono energia ai laboratori spaziali Skylab (1973−1979) e alimentano centinaia di satelliti artificiali in orbita attorno alla terra. Le efficienze di conversione di quello che viene indicato spesso come fotovoltaico di prima generazione si aggirano intorno al 15 %.

Nello sviluppo del fotovoltaico terrestre l’esigenza di ridurre i costi di produzione dei pannelli ha portato in tempi più recenti al cosiddetto  fotovoltaico di seconda generazione che individuò nel silicio policristallino massivo prima e negli strati sottili (film) di silicio policristallino in tempi successivi il proprio materiale di riferimento. Al fotovoltaico di seconda generazione seguirono metodologie in grado di convertire in potenza elettrica la frazione di radiazione elettromagnetica che non può essere raccolta dal silicio accoppiando ad esso altri materiali quali tellururo di cadmio e seleniuri misti di rame, indio e gallio (fotovoltaico di terza generazione). Tutto questo, congiuntamente alla riduzione di costo del materiale e a politiche di incentivazione alla generazione elettrica diffusa con fonti rinnovabili, ha permesso l'attuale diffusione del fotoelettrico in Italia, con numeri che nel 2012 hanno raggiunto i 17 GW di potenza immessa in rete.

I semiconduttori inorganici non sono tuttavia gli unici materiali utilizzabile nel fotovoltaico.Nel 1991 il chimico svizzero Graetzel inventò celle fotovoltaiche, oggi dette appunto celle di Graetzel, che impiegano coloranti organici all’interno di celle fotoelettrochimiche per convertire la radiazione solare in energia elettrica.

Complessivamente, è impressionante il progresso in termini di efficienza di conversione che l’introduzione di nuovi materiali e nuove tecnologie ha comportato nell’arco di meno di cinquanta anni, passato dal 13 % delle prime celle Mobil del 1976 al 44 % delle migliori celle di terza generazione realizzate nel 2012 – una evoluzione che testimonia l’efficacia del rapporto tra richieste delle tecnologie fisiche e risposta che la scienza dei materiali è in grado di generare in tempi ormai strettissimi.

Se il fotovoltaico ha contribuito alla riduzione dell’inquinamento ambientale, i nuovi materiali hanno anche contribuito alla salute umana intervenendo direttamente nel settore della diagnostica medica.