Solare di terza generazione: viva il mirtillo!

Mi rendo conto che ultimamente sto trascurando alcuni argomenti per concentrarmi su altri. In particolare sempre più spesso mi ritrovo a parlare di energetica e di energie rinnovabili. Ora, dal momento che studio Ingegneria Elettronica e che, appena mi laureo alla triennale, proseguirò con Ingegneria Energetica, mi sembra doveroso iniziare a scrivere qualche articolo che non siano i soliti divulgativi che ho postato finora. Ecco spiegato la nuova etichetta "Tecnicismi non troppo spinti". Cercherò di spiegare a grandi linee e senza addentrarmi in equazioni e diagrammi, i principali fenomeni fisici legati alle tecnologie di cui parliamo ormai costantemente e di cui continuerò a parlare in futuri articoli. Per quanto riguarda il primo post di questa nuova categoria voglio parlare di quello che ormai viene definito il solare di terza generazione.

L’idea di trattare questo argomento viene dopo aver assistito agli European Solar Day 2011, che vicino a dove abito si sono svolti a Monserrato. Tra coloro che sono intervenuti, una ricercatrice del CNR di Lecce che ha parlato appunto del lavoro che svolgono riguardo il fotovoltaico di nuova generazione.

La cosa interessante è che poco prima di quell’evento io avevo appena dato l’esame di Dispositivi Elettronici Avanzati, da cui avevo proprio imparato, sia teoricamente che praticamente, le fondamenta dell’Elettronica Organica, che è importantissima in questa nuova concezione dell’energia fotovoltaica. Da questa associazione è nata l’idea dei "Tecnicismi non troppo spinti". 

Il solare di terza generazione si basa essenzialmente su pannelli fotovoltaici costruiti in tecnologia organica o ibrida inorganica-organica. Un esempio è visibile nella foto a inizio articolo, in cui si può notare una delle caratteristiche principali di un pannello organico rispetto a uno inorganico, ovvero la flessibilità. Questo consente, ovviamente, di pensare pannelli integrati su superfici non necessariamente piane, ad esempio in tessuti di borse, vestiti e simili. La ricercatrice del CNR di Lecce ha insistito su un aspetto che fa molta pubblicità a questa nuova tecnologia, ovvero la possibilità di realizzare celle a pigmento, in particolare con i mirtilli. Vediamo perché.

Principio di base della fotoconversione

La fotoconversione, ovvero la conversione da energia luminosa a energia elettrica, si basa sull’assorbimento della luce e sull’esistenza di un’asimmetria nella struttura della cella. A questa asimmetria corrisponde una differenza di energia (energy gap) associata alle zone separate della struttura. È per questo motivo che ad esempio, nelle celle solari tradizionali, realizzate con il silicio, si ricorre a una struttura a giunzione, in cui il silicio è presente con diverse caratteristiche in due zone distinte della struttura complessiva. La presenza di questa differenza di energia comporta che non tutta la radiazione solare incidente sulla cella potrà essere convertita in energia. L’energia luminosa è dovuta a particelle dette fotoni, essi incidendo sulla cella cedono la loro energia ai portatori di carica presenti. Se l’energia assorbita è maggiore dell’energy gap allora la carica può passare oltre il gap e andare a un livello di energia maggiore (e si parla di carica eccitata).

A questo punto occorre poter raccogliere la carica eccitata, e questo avviene ancora grazie alla disomogeneità nella struttura. Si usano due materiali diversi quindi, il primo viene denominato donore, il secondo accettore. Entrambi i materiali sono collegati a contatti metallici, per poter estrarre la carica elettrica. All’interfaccia tra i due materiali avviene la separazione della carica (in carica positiva e carica negativa, ovvero in lacune ed elettroni). Le lacune quindi si spostano lungo il donore, mentre gli elettroni lungo l’accettore. Quando le particelle raggiungono i contatti possono essere estratte, ricavando così energia elettrica dall’incidenza di una radiazione luminosa.

In realtà durante lo spostamento delle cariche dall’interfaccia tra i due materiali verso i contatti possono avvenire altri fenomeni (detti di ricombinazione) che portano lacune ed elettroni a unirsi. Questi fenomeni limitano il trasporto di carica e dunque limitano l’efficienza della cella fotovoltaica. Questo è un limite teorico, non legato al tipo di materiale quindi, ed è a questo limite che ci si riferisce quando si parla dell’impossibilità del fotovoltaico di convertire tutta la radiazione incidente.

Il mirtillo quindi cosa c’entra?

La terza generazione fotovoltaica cerca di andare verso la direzione dei bassi costi e dell’alta efficienza, a differenza della prima, alti costi e bassa efficienza, e della seconda, bassi costi e bassa efficienza. La risorsa tecnologia che promuove questa generazione è l’elettronica organica, realizzata da materiali plastici, dunque a basso costo, flessibili e facilmente realizzabili. In questo campo si sta studiando quindi il modo di massimizzare l’assorbimento della luce, e uno dei modi è proprio quello di realizzare celle a pigmento, in cui si usano materiali che possano assorbire molto bene la luce. I pigmenti presenti in melanzane, arance rosse e mirtilli sono di questo tipo. A lato potete vedere esempi di celle a pigmento: l’idea è che dispositivi di questo tipo, piccoli, flessibili e a basso costo, possano diventare dei generatori di energia usa e getta, riciclabili e con minimo impatto ambientale. Inoltre, come ho già detto si possono integrare in "tessuti intelligenti" o utilizzare nelle abitazioni, nelle mura o in prossimità delle finestre, dal momento che funzionano anche con luce diffusa e non solo con luce diretta.

Conclusione?

Spero di aver spiegato senza ingarbugliarmi troppo e che sia un discorso comprensibile, e soprattutto che interessi e susciti curiosità su aspetti di cui sentiamo sempre più parlare, ma di cui magari sappiamo poco. Anche perché "Tecnicismi non troppo spinti" dipende dal feedback dei lettori, se sono approfondimenti che non interessano si possono abbandonare a loro stessi.

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