Pannelli fotovoltaici, il futuro è olografico

Il principio di funzionamento delle celle fotovoltaiche - le componenti base di un impianto ad energia solare - si basa sulla capacità di alcuni materiali semiconduttori di generare elettricità se esposti alle radiazioni. Oggi il materiale maggiormente usato per questo scopo è il silicio, con il quale si realizzano: celle monocristalline, le più diffuse ed efficienti ma anche le più costose a causa dell’impegnativo processo di produzione; celle policristalline (o multicristalline), con una efficienza intermedia; celle amorfe, le più economiche ma le meno efficienti. Il principale freno all’adozione dei pannelli solari fotovoltaici è il loro alto costo, dettato oltre che da dinamiche di mercato – in altri paesi europei sono molto più economici che in Italia – da oggettive ragioni produttive legate all’impiego del silicio, materiale costoso che richiede per la fabbricazione delle celle numerosi passaggi di lavorazione. Inoltre l’aumento della domanda di pannelli fotovoltaici che si è verificata negli ultimi anni – che prevedibilmente avrà andamento esponenziale - ha cominciato a creare qualche problema di approvvigionamento della materia prima. Uno dei temi di ricerca più attuali, sul quale stanno lavorando studiosi di tutto il mondo, è il miglioramento della resa delle celle fotovoltaiche, al fine di ottimizzare questa tecnologia che ha ampi margini di miglioramento. Ciò consentirà anche di ridurre i suoi costi, in modo da renderli competitivi rispetto a quelli dell’energia prodotta a partire dai combustibili fossili. Due i principali filoni di sperimentazione. Il primo è relativo all’eliminazione dell’uso del silicio, sostituito o da particolari film polimerici, o da materiali organici, quali i pigmenti fotosensibili (antocianine) contenuti nei frutti di bosco. Nei laboratori dell’University of California di Los Angeles (UCLA) alcuni ricercatori guidati dal prof. Yang Yang stanno sperimentando pannelli fotovoltaici realizzati con uno strato di polimero rivestito da elettrodi conduttivi. Nell’arco di pochi anni è prevista la loro commercializzazione ad un costo di circa l’80% inferiore rispetto a quello di un pannello tradizionale realizzato in silicio, con una efficienza di poco più bassa. Per quel che riguarda il solare organico alcuni ricercatori dell’università di Roma Tor Vergata (nell’ambito del progetto Freenergy - Fonti Rinnovabili Ecosostenibili di Energia) ispirandosi alla fotosintesi clorofilliana, stanno studiando il modo per produrre energia mediante l’impiego di una miscela di materiali organici all’interno dei quali un pigmento assorbe la radiazione solare e gli altri componenti estraggono la carica per produrre elettricità. I pigmenti fotosensibili, sotto forma di pellicola, possono essere depositati su vaste superfici a partire da una soluzione liquida come inchiostri o paste. I costi sono contenuti e il rispetto dell’ambiente, anche per quel che riguarda la fase di produzione dei pannelli, è assicurato (www.freenergy.uniroma2.it). Il secondo ambito di sperimentazione è relativo alla riduzione dell’impiego del silicio grazie alla concentrazione delle radiazioni solari effettuata mediante specchi variamente configurati (parabolici lineari, a torre, a disco parabolico) che consentono di ridurre, a parità di energia prodotta, la superficie dei pannelli. Tali sistemi hanno un forte impatto visivo che li rende adatti per impianti di notevoli dimensioni – che naturalmente debbono essere ubicati seguendo criteri di massima sostenibilità ambientale - ma poco usabili in contesti urbani. Una tecnologia alternativa in fase di sperimentazione per concentrare le radiazioni solari è quella dei pannelli fotovoltaici con ologrammi. Seppure la loro capacità risulta di molto inferiore a quella dei concentratori di tipo tradizionale a specchi, questa tecnologia ha notevoli punti di forza: paragonato ad un pannello con la stessa densità di celle fotovoltaiche, quello che ha anche gli ologrammi ha un’efficienza tra il 25% (provato) ed il 50% (teorico) in più; la concentrazione dell’energia solare avviene su un unico piano, grazie alla proprietà degli ologrammi di diffrarre la luce e del vetro di rifletterla internamente, al contrario di ciò che accade con i tradizionali concentratori; gli ologrammi possono essere differenziati (secondo modelli creati al laser) per focalizzare al meglio la luce da diversi angoli, in modo da avere una resa ottimale nelle varie ore del giorno. Ciò consente di evitare di muovere i vari componenti, come avviene per la maggior parte dei sistemi a concentrazione tradizionale, per “inseguire” il sole. I pannelli realizzati con questa tecnologia sono semitrasparenti e piatti, fattori che facilitano notevolmente il loro inserimento non solo sulle coperture, ma anche nelle chiusure verticali degli edifici: potranno essere realizzate intere pareti esterne semitrasparenti. Il risparmio che il solare olografico consente è dato dalla possibilità di non ricoprire l’intero pannello con celle fotovoltaiche in silicio, ma di disporle in strisce alternate, perchè lo strato di ologrammi è in grado di dirigere la luce attraverso il vetro fino al raggiungimento della striscia di celle. La riduzione della quantità di silicio, a parità di elettricità generata, determina un notevole taglio dei costi di produzione dei pannelli. Per migliorare l’efficienza di questa tecnologia alcuni studiosi stanno lavorando anche su pannelli olografici di seconda generazione, realizzati con uno stratificato composto da due facce di vetro con ologrammi che racchiudono uno strato di celle solari. Sul solare olografico si sta studiando da diversi anni. Nel 1995 Apogee Enterprise Inc, un’azienda americana operante nel settore dei vetri, ha finanziato la start-up Terra Sun per la produzione dei pannelli con ologrammi; in seguito l’Apogee ha deciso di donare i brevetti all’Illinois Institute of Technology (IIT) al fine di consentire lo studio approfondito di questa tecnologia e di accelerarne la messa in produzione. Le pratiche per il nuovo processo sono state registrate al dipartimento brevetti in USA e l’IIT ha raggiunto accordi, in merito alla licenza dei brevetti, con Sun Phocus per il mercato BIPV (integrazione in architettura) e con Direct Global per il power market. Attualmente Sun Phocus ha sede nell’University Technology Park dell’IIT, negli spazi dedicati ad aziende start-up, un’incubatrice per invenzioni tecnologiche. Un importante riconoscimento alla validità del lavoro dei ricercatori della Sun Phocus si è avuto qualche mese fa con l’assegnazione del primo premio - su 300 candidati - per il Jungle Business Plan, e la selezione come finalista nel concorso California Clean Tech Open.