Cosa possono portare in tavola le celle solari organiche?

0
114

Quando immagini l'energia solare, è probabile che evochi immagini di grandi pannelli solari che si estendono su un tetto o di un grande parco solare in un campo. Ma cosa succederebbe se si potesse mettere un pannello solare nel tetto apribile di un'auto ibrida, su una tenda o tra le finestre di un edificio per uffici? E se potessi alimentare un frigorifero per vaccini in un luogo remoto con un pannello solare flessibile che potrebbe essere spedito in un tubo postale? Queste sono solo alcune delle possibili applicazioni di una tecnologia relativamente nuova nota come celle solari organiche (OSC) – nuova, almeno, se confrontata con la tecnologia solare al silicio, che esiste dagli anni '50.

Come la tradizionale tecnologia solare al silicio, gli OSC trasformano l'energia del sole in elettricità utilizzabile. Ma sono molto più versatili del solare fotovoltaico convenzionale. Gli OSC sono leggeri e flessibili e possono essere realizzati per essere semitrasparenti o in vari colori. Queste qualità danno loro potenziali applicazioni per celle solari tessili, per veicoli e integrate negli edifici e per la creazione di energia in aree in cui non esiste.

Applicazioni uniche

Sebbene siano necessari ulteriori finanziamenti e ricerche per portare gli OSC sul mercato commerciale, gli esperti concordano sul fatto che giocheranno un ruolo importante nel futuro della tecnologia solare. Detto questo, non sostituiranno o competeranno testa a testa con celle solari al silicio. "Non dovremmo aspettarci di vedere ampi campi di OSC, come quelli che generano gigawatt di energia nei parchi solari al silicio", afferma Seth Marder, professore di chimica presso Georgia Tech. Il silicio solare è adatto per fornire energia solare su larga scala, mentre gli OSC hanno altri punti di forza unici che guidano le sue applicazioni nel mondo reale.

Due caratteristiche uniche degli OSC sono la loro sottigliezza e flessibilità. Mentre una tipica cella solare in silicio è spessa circa quanto la larghezza media di un capello umano, la maggior parte degli OSC sono circa mille volte più sottili. A causa della loro sottigliezza e flessibilità, gli OSC possono essere fabbricati su superfici curve e supporti flessibili. Ad esempio, possono essere rattoppati o integrati nel tessuto di tende, zaini e persino vestiti. La maggior parte di questi prodotti sono ancora in fase di sviluppo e occupano un mercato di nicchia, ma dimostrano la creatività innovativa fornita dagli OSC. Con la tecnologia OSC, le possibilità di utilizzo delle celle solari sono state notevolmente ampliate oltre i soli tetti e fattorie solari.

Se 10 anni fa mi avessi detto che avremmo celle solari organiche con un'efficienza del 18%, avrei riso.

Gli OSC possono anche essere resi trasparenti, semitrasparenti o in vari colori. Di conseguenza, ci sono molte potenziali applicazioni per l'uso architettonico. Ad esempio, OSC trasparenti potrebbero essere integrati nelle finestre per generare energia dalla luce solare che altrimenti potrebbe riscaldare una stanza e contribuire a costi di condizionamento dell'aria più elevati. Franky So, professore di scienza dei materiali e ingegneria presso la North Carolina State University, offre ancora un'altra applicazione: gli OSC potrebbero essere utilizzati nei tettucci apribili per aiutare ad alimentare veicoli elettrici e ibridi.

Inoltre, i bassi investimenti iniziali e i costi di spedizione dei prodotti potenzialmente bassi rendono la tecnologia OSC accessibile alle comunità nei paesi in via di sviluppo che non hanno accesso a una rete elettrica e ai mezzi finanziari per costruirne una. Gli OSC hanno la capacità unica di "portare il potere dove il potere non esiste", spiega Malika Jeffries-EL, professore associato di chimica alla Boston University. In questi casi, la tecnologia OSC potrebbe fornire elettricità essenziale nelle quantità minori necessarie per attività come illuminazione, ricarica di telefoni cellulari e refrigerazione di farmaci e vaccini.

Un altro punto di forza degli OSC è che richiedono meno energia da produrre rispetto alle celle solari in silicio. Forni estremamente caldi – verso l'alto di 2.700 gradi Fahrenheit – sono necessari per generare silicio di elevata purezza per celle solari al silicio. In confronto, è possibile produrre OSC su larga scala semplicemente stampando gli strati della cella su un supporto in un processo simile a quello utilizzato per stampare i giornali. Poiché questo processo consuma meno energia, gli OSC hanno un tempo di recupero energetico significativamente più breve rispetto alle celle al silicio. In altre parole, gli OSC richiedono una quantità di tempo inferiore per generare la quantità di energia necessaria per produrli.

Come funziona

La prima cella solare organica è stata sviluppata nel 1958, ma è stato solo negli anni 2000 che gli OSC hanno visto un aumento significativo dell'efficienza. Questa tecnologia OSC migliorata è emersa dal campo dei diodi organici a emissione di luce, comunemente noti come OLED. La tecnologia OLED viene utilizzata oggi per molti schermi televisivi e telefonici sul mercato. In uno schermo OLED, uno strato di molecole organiche (molecole composte principalmente da atomi di carbonio e idrogeno) emette luce quando viene applicata una corrente elettrica. Gli OSC funzionano essenzialmente in modo opposto: lo strato di molecole organiche genera una corrente elettrica quando esposto alla luce.

Una cella solare organica è composta da più strati di materiali, uno dei quali è lo strato accettore. Quando la luce solare colpisce la cellula, un elettrone viene rilasciato dallo strato di molecole organiche e il compito dell'accettore è di passare l'elettrone all'elettrodo. Questo processo provoca un accumulo di carica, che è ciò che genera elettricità.

Con lo sviluppo di accettori non fullereni, l'efficienza degli OSC è aumentata notevolmente. Grafico per gentile concessione di Felipe Larrain

Tradizionalmente, gli accettori più comunemente usati negli OSC erano materiali a base di fullerene, una molecola composta da 60 atomi di carbonio uniti in una struttura che ricorda un pallone da calcio. Tuttavia, con gli accettori di fullerene l'efficienza degli OSC era limitata a circa il 10 percento. In altre parole, solo il 10 percento della luce solare che colpisce la cella solare è stata convertita in elettricità. I ricercatori hanno quindi deciso di esplorare nuovi tipi di strati accettori come mezzo per aumentare l'efficienza dell'OSC.

La svolta che ha consentito agli OSC di raggiungere efficienze più elevate è stato lo sviluppo di accettori non fullerene (NFA). Con gli NFA l'efficienza degli OSC è aumentata notevolmente, fino al 18% in pochi anni. Ciò ha portato gli OSC all'estremità inferiore dell'efficienza dal 18% al 22% della cella solare al silicio media disponibile in commercio. Questo aumento di efficienza ha superato le aspettative di molti esperti, alcuni dei quali hanno iniziato a lavorare sul campo quando l'efficienza degli OSC si aggirava intorno al 3%. "Se 10 anni fa mi avessi detto che avremmo celle solari organiche con un'efficienza del 18%, avrei riso", dice Marder.

Barriere da superare

C'è ancora molto lavoro da fare prima che gli OSC possano essere ampiamente commercializzati. Una delle maggiori sfide sono i solventi utilizzati nel processo di produzione. La maggior parte degli OSC ad alte prestazioni sono realizzati utilizzando solventi clorurati, che presentano rischi sia per la salute che per l'ambiente. "Quando si aumenta la produzione OSC, è necessario considerare l'esposizione delle persone che lavoreranno negli stabilimenti di produzione", afferma Bernard Kippelen, professore di ingegneria elettrica e informatica presso la Georgia Tech. La ricerca fino ad oggi si è concentrata principalmente sull'ottenimento di efficienze sempre più elevate, ma come afferma Kippelen, "abbiamo bisogno di un approccio che vada ben oltre un solo numero". Per rendere le OSC una tecnologia praticabile, il processo di produzione deve essere ottimizzato per renderlo più sicuro ed economico.

Le celle solari organiche richiedono un tempo più breve per generare la quantità di energia necessaria per produrle.

Un altro ostacolo alla produzione di massa di OSC è la differenza tra l'efficienza delle singole celle testate in condizioni di laboratorio ideali e le efficienze che sono state dimostrate per i moduli più grandi. Le singole celle possono avere un'efficienza elevata, ma l'assemblaggio di più celle in moduli, pannelli o array richiede collegamenti elettrici aggiuntivi che ne diminuiscono l'efficienza. Tuttavia, come sottolinea Kippelen, sono previste tali disparità. "Ci vuole del tempo prima che gli aumenti dell'efficienza delle celle si riflettano nell'efficienza dei moduli che escono dalle linee di produzione", afferma. "Lo stesso valeva per le celle solari al silicio".

Il finanziamento per la ricerca OSC è un'altra preoccupazione. Negli Stati Uniti, gran parte dei finanziamenti per la ricerca sulle celle solari proviene da agenzie governative, come il Dipartimento dell'Energia. Tuttavia, secondo Kippelen, "molte fonti di finanziamento si sono esaurite per fare ricerca sull'OSC", a causa dell'emergere di una classe di celle solari in rapida espansione chiamate perovskiti. "C'è stata molta eccitazione intorno all'uso delle perovskiti perché la loro efficienza è addirittura superiore a quella del silicio in alcuni casi". Tuttavia, anche se i finanziamenti per gli OSC sono diminuiti negli Stati Uniti, la Cina continua a guidare la ricerca e lo sviluppo dell'OSC. "La quantità di lavoro [on OSC research] negli Stati Uniti è una piccola frazione della quantità di lavoro in Cina ", afferma Marder. "La gente in Cina sta andando a tutto volume su questo."

Motivi di ottimismo

Il futuro consumo mondiale di energia continuerà ad aumentare, soprattutto perché i paesi in via di sviluppo aspirano agli stessi vantaggi della produzione di energia su richiesta di cui godono i paesi sviluppati. Ricercatori come Marder, Kippelen, Jeffries-EL e So say OSC ha il potenziale per svolgere un ruolo unico e importante nella transizione globale verso l'energia rinnovabile. Il recente aumento dell'efficienza dell'OSC al 18% ha portato molti ricercatori a lavorare per far avanzare questa tecnologia e gli scienziati stanno esaminando gli OSC tandem (che utilizzano due materiali che assorbono lunghezze d'onda distinte della luce solare) per catturare ancora più energia. Alcuni sperano che questo sviluppo possa aumentare ulteriormente l'efficienza dell'OSC, fino al 20%.

Kippelen chiede una visione a lungo termine della tecnologia OSC. "La tecnologia solare sarà disponibile per molto tempo", dice, "e credo davvero che OSC, con il tempo, si affermerà come una tecnologia davvero importante".

Nota del redattore: Kellie Stellmach ha scritto questa storia come partecipante al programma Ensia Mentor. È una studentessa laureata che persegue il suo dottorato di ricerca. in chimica presso Georgia Tech. La sua ricerca non è collegata al campo delle celle solari organiche. Anche se ha seguito un corso con Seth Marder, le interviste per questa storia sono state fatte prima che lei diventasse una sua studentessa.