Lunedì, 26 ottobre 2020

Finestre fotovoltaiche a basso impatto ambientale: innovazione di processo per un materiale innovativo

I risultati della ricerca pubblicati su Joule

lastra per finestra fotovoltaica green

Un ulteriore e fondamentale passo avanti verso la costruzione degli edifici a impatto zero attraverso la realizzazione di dispositivi fotovoltaici esteticamente integrabili negli edifici (building integrated photovoltaics) grazie a una ricerca condotta da un team di ricercatori italiani che coinvolge l’Università di Milano – Bicocca, la Glass to Power SpA e l’Istituto di Struttura della Materia del CNR. Un materiale innovativo per la  realizzazione di concentratori solari luminescenti (LSC) trasparenti integrati nelle finestre fotovoltaiche con elevata efficienza è stato sintetizzato presso i laboratori del Dipartimento di Scienza dei Materiali dell’Università degli studi di Milano-Bicocca attraverso un processo innovativo a basso impatto ambientale grazie alla rimozione dei solventi di processo. Dal punto di vista ambientale questa strategia ha il vantaggio importante di ridurre il 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 ad altre molecole di efficienza confrontabile. I materiali innovativi così realizzati sono stati poi  utilizzati dai ricercatori di Glass to Power per fabbricare finestre fotovoltaiche con tecniche industriali, a conferma del potenziale applicativo della scoperta.  

I risultati di questa ricerca sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista Joule (Impact factor 27.054 - 2019 Journal Impact Factor, Journal Citation Reports (Clarivate Analytics, 2019)) nell’articolo dal titolo “Chemically Sustainable Large Stokes Shift Derivatives for High-Performance Large-Area Transparent Luminescent Solar Concentrators” (doi: 10.1016/j.joule.2020.08.006).

Questa ricerca ha visto il contributo di un nutrito gruppo di professori, ricercatori, assegnisti e dottorandi del Dipartimento di Scienza dei Materiali appartenenti a tre diverse linee di ricerca che spaziano dalla sintesi organica (Prof. Luca Beverina, Dott. Mauro Sassi), alle attività elettrochimiche (Prof. Riccardo Ruffo), e alla fotofisica avanzata di materiali molecolari (Prof. Sergio Brovelli, Prof. Franco Meinardi, Prof. Angelo Monguzzi).

Quali sono i vantaggi delle finestre fotovoltaiche basate su concentratori solari luminescenti rispetto agli impianti convenzionali?

Le finestre fotovoltaiche basate sui concentratori solari luminescenti sono impianti molto semplici, con un costo di realizzazione basso, e un rendimento meno sensibile al posizionamento non ottimale rispetto all’insolazione. Altro vantaggio fondamentale è quello di non stravolgere l’estetica degli edifici. Il funzionamento dei concentratori solari luminescenti si basa sulla proprietà intrinseca di molte classi di molecole organiche di assorbire la radiazione solare su un ampio spettro di lunghezze d’onda e di riemetterla ad una lunghezza d’onda ben definita, più grande e non sovrapponibile con l’intervallo di assorbimento e con rendimento di emissione elevato. Molecole con queste caratteristiche, altamente stabili al calore e alla luce vengono disperse all’interno di una lastra di Plexiglas durante il suo processo di lavorazione. La radiazione solare viene così assorbita e poi riemessa dalle molecole, e la lastra di Plexiglas fornisce la più economica “guida d’onda” per intrappolare la radiazione e convogliarla ai bordi. Lastre di questo tipo sono montate in normali telai da finestra dove sottili e invisibili celle fotovoltaiche provvedono a convertire la radiazione luminosa concentrata in energia elettrica.

Come è possibile il processo di sintesi della nuova molecola senza solventi?

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 – spiega Luca Beverina. - 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. L’E Factor, indicatore di sostenibilità nella sintesi organica, dimostrato è 50 volte inferiore rispetto a quello associato ad altre molecole di efficienza confrontabile.