Avete mai sentito parlare di celle solari organiche?
Andiamo a conoscerle insieme, perché nel nostro futuro più prossimo potremo esserne circondati. Si tratta di dispositivi piccoli, leggeri, flessibili, ecologici, i fratelli minori degli attuali pannelli fotovoltaici al silicio.
Le ricerche sono ancora in corso. Ma anno dopo anno i risultati raggiunti migliorano e gli obiettivi diventano sempre più ambiziosi.
Andiamo insieme a capire di cosa stiamo parlando.
Utili per approfondire il discorso sono i miei due articoli precedenti.
Nel primo articolo vi ho parlato del grafene, il “materiale delle meraviglie”, accennando al suo potenziale vasto utilizzo grazie a delle importanti proprietà tutte racchiuse nella sua natura. Fondamentale è la sua proprietà di ottimo conduttore elettrico. Questa proprietà viene sfruttata all’interno delle celle solari organiche appunto.
Nel secondo articolo vi ho introdotto al mondo delle energie rinnovabili, concentrandomi sul fotovoltaico inorganico, con un accenno alle differenze sostanziali esistenti rispetto al fotovoltaico organico.
Celle solari organiche e loro funzionamento.
Innanzitutto le celle solari organiche sono delle celle solari di nuova concezione, basate sull’utilizzo di materiali polimerici (“plastica” nel gergo comune). Sono progettate come alternativa low-cost alle tradizionali celle fotovoltaiche al silicio, grazie al basso costo della materia prime e della sua lavorazione.
All’interno di queste celle solari, la trasformazione dell’energia solare in energia elettrica avviene grazie alla presenza di uno strato foto-attivo a base di composti organici del carbonio.
Seguendo l’immagine possiamo descrivere i quattro processi chiave della conversione dell’energia solare. Abbiamo quattro principali fasi:
- Assorbimento dei fotoni dalla luce per la creazione di eccitoni (coppie lacuna-elettrone)
La radiazione solare, sotto forma di “fotoni” (pacchetti di energia solare), incide sulla superficie della cella e viene assorbito all’interno dello strato foto-attivo. Lo strato foto-attivo è realizzato da composti organici del carbonio, ovvero materiali polimerici con particolari proprietà. In particolare si tratta di una miscela di due sostanze, di cui una funge da “donore di elettroni” e una funge da “accettore di elettroni”. Assorbendo questa energia, si viene a creare l’”eccitone”, ovvero una coppia elettrone-lacuna, in cui i due poli sono tra loro legati elettrostaticamente.
2. Diffusione degli eccitoni verso l’interfaccia donatore-accettore
Gli eccitoni migrano poi verso l’interfaccia dello strato fotoattivo. La lacuna viene attratta elettrostaticamente dal donore, mentre l’elettrone viene attratto dallo strato accettore.
3. Divisione in cariche libere della coppia elettrone-lacuna
La coppia viene così separata, in elettrone (carica negativa) e lacuna (carica positiva).
4. Migrazione delle lacune (nel materiale donore) e degli elettroni (nel materiale accettore) verso gli elettrodi per la raccolta.
Con l’applicazione di un campo elettrico esterno, elettrone e lacuna vengono trasportati verso i rispettivi elettrodi, generando corrente elettrica.
Da cosa è costituita?
Andiamo ad esplorare i vari strati di cui è costruita una cella solare organica.
Innanzitutto possiede una struttura a “sandwich”, costituita da vari strati, ognuno con la sua particolare funzione:
- Il substrato solido: può essere di vetro o di plastica flessibile. Permettendo quindi proprietà di leggerezza e di flessibilità.
- Gli elettrodi, ovvero anodo (ITO) e catodo (Alluminio + Fluoruro di Litio) raccolgono gli elettroni generati nello strato di semiconduttore, e generano corrente elettrica.
- Strato di semiconduttore organico, con la funzione di assorbire l’energia solare e generare elettroni. Il semiconduttore organico è una bulk heterojunction, ossia una miscela di due polimeri di cui uno costituisce il materiale donore e l’altro il materiale accettore.
Attualmente le celle solari organiche non hanno ampio mercato, probabilmente per via della loro bassa efficienza e la loro corta vita utile.
Un futuro potenziale mercato è quello delle applicazioni biologiche nanotech, ad esempio:
- Ambito civile: grazie alla loro trasparenza potranno facilmente essere inserite all’interno di finestre a doppi vetri, su tende e sulle pareti come copertura delle facciate degli edifici;
- Abbigliamento: grazie alla loro flessibilità e alle loro dimensioni potranno essere integrate all’interno di svariati capi di abbigliamento, ma anche su borse, cappelli e accessori vari;
- Mezzi di trasporto: su ogni mezzo pubblico o privato, sfruttando superfici curve e complesse;
- Elettronica: per ricaricare telefoni cellulari e laptop.
Degrado e smaltimento: punto di forza o di debolezza?
L’impatto ambientale delle celle solari organiche è nullo, in quanto sono costituite da polimeri che si degradano nel tempo. Non si crea quindi il problema del come smaltirle senza inquinare.
Ma si tratta comunque di un’arma a doppio taglio. Al facile degrado corrisponde una veloce perdita anche delle sue proprietà elettriche, con conseguente perdita di efficienza.
Ed è proprio su questo piano che si sta muovendo la ricerca: creare dei pannelli fotovoltaici organici che siano maggiormente efficienti di quelli attualmente esistenti e che ne garantiscano una vita utile più lunga.
Solo così potranno iniziare ad avere una fetta di mercato importante, facendo concorrenza all’attuale fotovoltaico esistente.
PHOTO: dal web
