Lo sviluppo industriale e la crescita della popolazione hanno portato a un'impennata della domanda globale di energia. Nel contempo le crisi climatiche e geopolitiche in corso stanno richiedendo una rapida transizione a un’economia più verde e a emissioni zero.
Tra le tecnologie in grado di affrontare il problema energetico globale c’è il fotovoltaico uno dei cinque temi di ricerca affrontati dal Progetto FLEXILAB, Progetto "Dipartimenti di Eccellenza" 2018-2022.
Intervistiamo il Prof. Maurizio Acciarri, professore di Fisica Sperimentale della Materia del Dipartimento di Scienza dei Materiali e work package leader di questa attività di ricerca, per capire perché scegliere il fotovoltaico e quali sono stati i risultati raggiunti durante il progetto.
Perché scegliere il fotovoltaico?
L'energia solare è la più abbondante, inesauribile e pulita di tutte le risorse energetiche rinnovabili fino ad oggi. L'energia del sole può essere considerata la fonte principale di tutti i tipi di energie. Può essere utilizzata da varie tecniche; sfruttare appieno la luce solare per generare elettricità direttamente come nella tecnologia del fotovoltaico o utilizzando il calore del sole come energia termica.
Per questo motivo si prevede che il contributo del fotovoltaico alla produzione di energia diventerà sempre più importante.
Qual è l’obiettivo di FLEXILAB sul fotovoltaico e l’approccio adottato?
Il nostro obiettivo è quello di sviluppare celle fotovoltaiche che raggiungano un’efficienza del 30% sfruttando tutte le possibili opzioni che la tecnologia fotovoltaica offre. Questo è il target che ci possiamo porre considerando la tecnologia denominata “a singola giunzione”. Lo si può superare accoppiando opportunamente più cella singole ottenendo una cella multigiunzione. Oltre a voler incrementare l’efficienza delle celle solari abbiamo anche l’esigenza di diminuire l’impatto ambientale riducendo la quantità di materiale utilizzato e cercare nuovi materiali abbondanti in natura.
Per tale scopo abbiamo quindi sviluppato nuovi materiali in forma di film sottili inorganici e ibridi (quali kesteriti e perovskiti) per realizzare celle tandem.
Parallelamente, sono stati sintetizzati e studiati una serie di derivati a base di ferrocene come mediatori redox in celle solari DSSC ecosostenibili.
Sono stati anche sviluppate nuove nanostrutture a confinamento quantico per applicazioni in dispositivi di photon-management quali concentratori solari luminescenti per fotovoltaico integrato architettonicamente e assemblati per up-conversion capaci di sfruttare porzioni di spettro solare non accessibili con sistemi tradizionali. Questi nanomateriali si basano su varie tipologie di semiconduttori quali calcogenuri binari e ternari e perovskiti.
Nel progetto sono state svolte anche ricerche per sfruttare al meglio il recupero dell’energia termica mediante l’utilizzo di dispositivi termoelettrici.
Prestazioni e basso impatto ambientale: come trovare il giusto equilibrio?
Sebbene il nostro obiettivo principale fosse quello di aumentare le prestazioni dei dispositivi, non abbiamo voluto trascurare l’aspetto della salvaguardia ambientale anche per quanto riguarda la fabbricazione dei dispositivi: sono adottati processi di sintesi e di chimica delle superfici di nanostrutture colloidali processabili in soluzione e di materiali organici con un basso impatto ambientale dei processi e di tossicità dei prodotti. Il goal finale è che la tecnologia fotovoltaica possa diventare la principale fonte di energia pulita, abbondante ed economica.
Quali sono stati i risultati raggiunti?
I risultati ottenuti sono molteplici visti i molteplici approcci.
Abbiamo messo a punto la deposizione di celle fotovoltaiche a film sottile inorganiche con materiali e metodologia a basso impatto ambientale in grado di raggiungere efficienze di conversione del 2%. L’ottimizzazione è ancora in corso ma i risultati dimostrano la possibilità di sostituire alcuni materiali rari e tossici.
Sono stati studiati alcune varianti di Deep Eutectic Solvent per le celle fotovoltaiche DSSC, con caratteristiche idrofobiche o idrofiliche a base di componenti eco-friendly per uso in dssc come elettroliti per applicazioni anche indoor. Questi sistemi hanno presentato elevate efficienze specialmente se impiegati con illuminazione ambiente (~ 1000 lux).
Sono stati inoltre ottenuti film sottili di silicio nanocristallino p-type con fattori di potenza pari a 33 mW/mK2 per i dispositivi termoelettrici.
Infine, grazie anche ad un nuovo setup di spettroscopia a particella/molecola singola sviluppato nel progetto, sono stati svolti studi spettroscopici su varie classi di materiali funzionali inorganici e ibridi per l’Energy harvesting (quantum dot colloidali, perovskiti, MOF). Inoltre, sono stati realizzati dispositivi fotovoltaici, LED e rivelatori di radiazioni ad alta efficienza a base di materiali inorganici funzionali.