Sistema fotovoltaico

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Daniela Rigon | Classe I1

ENERGIE RINNOVABILIIl sistema fotovoltaico Potenzialit e opportunit

Proposta di lavoro interdisciplinare per la sensibilizzazione degli studenti alla sostenibilit ambientale.

Indice Premessa La cella fotovoltaica: principio di funzionamento I principali tipi di pannelli fotovoltaici Le pellicole e le vernici fotovoltaiche Esempi di celle fotovoltaiche di terza generazione Celle polimeriche, organiche, ibride, a pigmenti La rivoluzione nanotecnologica ed i nano materiali Il futuro dei pannelli solari



1. PREMESSAIl sistema fotovoltaico un insieme di componenti meccanici, elettrici ed elettronici in grado di captare e convertire lenergia solare disponibile in energia elettrica. Ci avviene sfruttando un fenomeno fisico, noto come effetto fotovoltaico: la capacit che hanno alcuni materiali semiconduttori opportunamente trattati di generare elettricit se esposti alla radiazione luminosa. Quando i fotoni (particelle di energia del sole) colpiscono una cella fotovoltaica, una parte di energia assorbita dal materiale ed alcuni elettroni, scalzati dalla posizione che occupano nella struttura atomica, scorrono attraverso il materiale semiconduttore opportunamente trattato, producendo una corrente continua che pu essere raccolta sulle superfici della cella. Per formare un modulo, che rappresenta il componete base di ogni impianto fotovoltaico, necessario che pi celle siano collegate tra loro in serie o in parallelo ed impachettate. Il collegamento di pi moduli consentir infine di realizzare impianti di produzione di energia elettrica della potenza desiderata. I sistemi fotovoltaici possono essere suddivisi in due categorie principali:

GRID-CONNECTEDSistemi connessi alla rete elettrica in cui la corrente generata viene inviata ad un convertitore (inverter) dal quale ne esce sotto forma di corrente alternata per poi essere trasformata in corrente a media tensione dal trasformatore, prima di essere immessa nella linea di distribuzione. Tali sistemi non sono provvisti di sistemi di accumulo in quanto lenergia prodotta durante le ore di insolazione viene immessa nella rete elettrica; viceversa, durante le ore di insolazione scarsa o nulla il carico locale viene alimentato dalla rete.

STAND-ALONESistemi isolati in grado di alimentare carichi sia in corrente continua (senza la presenza di un inverter) che in corrente alternata, ma sono in genere dotati di accumulo. In questi tipi di sistemi necessario immagazzinare lenergia elettrica attraverso accumulatori elettrochimici (batterie) per garantire la continuit dellerogazione anche nei momenti in cui non viene prodotta.

2. LA CELLA FOTOVOLTAICA: PRINCIPIO DI

FUNZIONAMENTOL EFFETTO FOTOELETTRICOLa conversione fotovoltaica un fenomeno fisico che permette di trasformare direttamente l'energia luminosa in energia elettrica in strutture elementari, le celle fotovoltaiche. Questi dispositivi sono realizzati in materiali semiconduttori, materiali cio che conducono la corrente elettrica e la cui resistivit diminuisce al crescere della temperatura e per la presenza di impurit.



L'effetto fotovoltaico consiste nella generazione di una differenza di potenziale elettrico, grazie all'integrazione di un flusso di energia radiante con la materia.

LE CELLE FOTOVOLTAICHELe celle nello schema generale sono costituite da due strati di semiconduttore (solitamente composti a base di silicio) in contatto fra loro: uno strato di tipo n, o strato finestra (generalmente si tratta di silicio drogato con fosforo), caratterizzato da una certa quantit di cariche negative (elettroni) e uno strato di tipo p, o strato assorbitore (ottenuto drogando il silicio con boro), in cui si ha un eccesso di cariche positive. Alla giunzione, cio nella zona di contatto tra i due strati, si crea una barriera di potenziale. Ciascun fotone, dotato di energia sufficiente e = h*v , in grado di liberare all'interno della giunzione una coppia elettrone - lacuna che contribuisce alla conduzione elettrica del semiconduttore. A causa della barriera di potenziale gli elettroni possono passare dallo strato p a quello n, ma non possibile il passaggio inverso: si crea cos un eccesso di elettroni nello strato n . Collegando un conduttore a ciascuno degli strati p e n e chiudendo il circuito ci sar circolazione di corrente grazie al passaggio degli elettroni che si ricombinano con le lacune. importante che la radiazione solare penetri in entrambi gli strati n e p ed per questo motivo che il primo strato molto sottile rispetto al secondo.

3. I PRINCIPALI TIPI DI PANNELLI FOTOVOLTAICI

I PANNELLI FOTOVOLTAICI: COSA SONOUn pannello fotovoltaico - detto anche, comunemente, "pannello solare" perch utilizza la luce del Sole - l'elemento base di ogni impianto fotovoltaico. Esso consiste di un insieme di celle fotovoltaiche opportunamente collegate fra loro. A seconda del tipo di cella utilizzata, si possono distinguere

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quattro principali tipi di pannelli fotovoltaici: pannelli monocristallini, pannelli policristallini, pannelli a film sottile, pannelli a concentrazione. L'efficienza dei pannelli fotovoltaici varia molto a seconda della tecnologia della cella, e per i tipi "normali" (cio monocristallini, policristallini, film sottile) dipende dalla temperatura ambiente: pi quest'ultima alta e pi l'efficienza si riduce. Mentre, per gli innovativi pannelli a concentrazione basati sulle moderne celle multigiunzione, l'efficienza aumenta al crescere del livello di concentrazione della luce. Si tenga presente, infine, che per svariate ragioni l''efficienza effettiva di un pannello sempre inferiore a quella delle celle fotovoltaiche che

lo compongono.

I PANNELLI MONONOCRISTALLINII pannelli fotovoltaici monocristallini sono moduli rigidi con numerose celle solari affiancate - in genere da 30 a 70 - ricoperte da una lastra di vetro protettiva dagli agenti atmosferici e sono circondati da una cornice normalmente di alluminio per dare robustezza. L'efficienza di conversione della luce in energia elettrica da parte dei pannelli monocristallini di circa il 1317%, e rimane quasi costante anche per 25 anni o pi, ma si abbatte molto in caso di ombre anche parziali. Come superficie occupata dai pannelli, su tetti in condizioni ideali (cio esposti verso Sud e inclinati di circa 30), possiamo considerare circa 6 mq /kWp. Richiedono molta energia per essere prodotti, tanto che occorrono ben 3-6 anni di utilizzo per restituirla, perci sono i pannelli comuni pi costosi. Poich occupano meno spazio (e sono leggermente pi efficienti) dei pannelli policristallini ma costano di pi, vengono generalmente impiegati soprattutto quando la superficie disponibile risulta un fattore determinante.

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I PANNELLI POLICRISTALLINII pannelli fotovoltaici policristallini - detti anche pannelli in silicio multicristallino - insieme ai pannelli monocristallini rappresentano prodotti di ottima qualit e costituiscono una fetta molto importante del mercato attuale. L'efficienza di conversione della luce in energia elettrica da parte dei pannelli monocristallini di circa il 12-14%, e come per i monocristallini rimane quasi costante anche per 25 anni o pi, ma si abbatte molto in caso di ombre che ricoprano anche solo una piccola porzione del pannello. Come superficie occupata dai pannelli, se utilizzati su tetti in condizioni ideali (esposti verso Sud e inclinati di circa 30), possiamo considerare circa 8 mq /kWp. Poich presentano un buon compromesso tra rendimento, costo e superficie occupata - rispetto ai moduli in film sottile realizzati con silicio amorfo hanno un rendimento quasi doppio, per cui occupano quasi met spazio a parit di energia prodotta - sono pannelli molto utilizzati sia negli impianti residenziali che nei grandi parchi fotovoltaici.

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I PANNELLI A FILM SOTTILEI pannelli fotovoltaici in film sottile sono moduli dello spessore di pochi millimetri esteticamente abbastanza simili a quelli mono e policristallini, rispetto ai quali per, oltre ad essere pi economici (del 25-40% circa), hanno anche un minore rendimento e un pi rapido degrado nel tempo. Ma il film sottile una tecnologia che permette di ottenere anche vere e proprie "strisce" di materiale fotovoltaico flessibile (dunque ideale per tetti curvi), leggero e facile da integrare nella struttura a cui destinato. L'efficienza di conversione della luce in energia elettrica da parte dei pannelli in film sottile realizzati con il silicio amorfo va dal 6 al 10% circa. In caso di ombre, rendono di pi dei pannelli mono- e policristallini, e il degrado delle prestazioni non deve superare - in base alla garanzia - il 20% nei primi 20 anni di funzionamento. Come superficie occupata dai pannelli in silicio amorfo, su tetti in condizioni ideali (esposti verso Sud e inclinati di circa 30), si consideri con i meno efficienti fino a 20 mq /kWp.

I PANNELLI A CONCENTRAZIONEI pannelli fotovoltaici a concentrazione - comunemente noti anche come "concentratori solari" - sono innovativi pannelli solari piani che utilizzano concentratori ottici quali, ad es., lenti di Fresnel o riflettori parabolici (tipicamente realizzati in plastica) per concentrare la radiazione solare su una superficie piuttosto piccola, dove viene trasformata in energia elettrica da una cella fotovoltaica multigiunzione, caratterizzata da un'efficienza pi che doppia rispetto ai pannelli fotovoltaici al silicio tradizionali. Dunque, possibile ottenere la stessa quantit di energia di un pannello normale con uno a concentrazione di superficie pi piccola. Inoltre, nei pannelli a concentrazione ciascuna cella fotovoltaica continua a funzionare a piena potenza anche se le altre celle del modulo sono ombreggiate o addirittura coperte con un oggetto. I sistemi di raffreddamento pi usati sono passivi, ed utilizzano la semplice

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convezione dell'aria. I pannelli sono montati su un sistema di inseguimento biassiale ad alta precisione.

4. LE PELLICOLE E LE VERNICI FOTOVOLTAICHE

I FILM PLASTICI DI CELLE ORGANICHELe celle solari organiche sono molto diverse dalle attuali celle commerciali basate sul silicio altamente purificato, che simile al materiale usato nei microprocessori dei computer. Siccome possono essere prodotte usando un semplice processo di "stampa" simile a quello litografico tradizionale, pur di lavorare in condizioni in camere a vuoto (per evitare che particelle di polvere provochino corto circuiti nel nanomateriale conduttivo), possono essere stampate a strati su un materiale di supporto, che pu essere un semplice ed economico foglio o pellicola di plastica leggero e flessibile. Guardando il supporto su cui sono state stampate, appaiono un po' come dei negativi fotografici, ma hanno alcune delle caratteristiche delle foglie, in quanto generano energia dalla luce solare e sono fatte di materiali organici. Inoltre, le celle organiche possono essere ottimizzate per trasformare in elettricit un'ampia porzione dello spettro, incluso l'infrarosso, per cui lavorano anche con scarsa luce e con cielo nuvoloso.

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LE VERNICI DI CELLE ORGANICHELe celle fotovoltaiche organiche non solo possono essere utilizzate come una pellicola plastica in grado di assumere qualsiasi forma, ma possono venire anche usate come vernici da spruzzare su oggetti o superfici: auto, edifici o altro. Attualmente esistono delle ricerche per creare delle vernici basate sulle celle al silicio, ma se le vernici fatte con celle organiche potranno essere prodotte prima, e ad un prezzo pi basso, potrebbero letteralmente trasformare il mercato del solare fotovoltaico. Infatti, essendo producibili sotto forma di vernici, le celle organiche possono essere "stampate" in fogli sottili oppure integrate in altri materiali od oggetti: tetti metallici, cellulari, carrozzerie d'auto, etc. Ed invece di trasformare le citt ricoprendole con ettari di pannelli solari, si potrebbero ricoprire vaste superfici con queste celle, che oltretutto non sono per nulla tossiche per l'ambiente, a differenza delle celle tradizionali, le quali presentano i relativi problemi di smaltimento una volta terminata la loro vita operativa.

LA PRIMA FASE DELLA RIVOLUZIONEL'obiettivo iniziale che ci si pone di raggiungere con le celle organiche non quello di rimpiazzare le tecnologie al silicio esistenti - come i pannelli fotovoltaici utilizzati sui tetti - bens di concentrarsi sulle caratteristiche uniche di questo nuovo tipo di celle. Il fatto che le celle organiche possano venire usate sia come pellicole flessibili e di forma modellabile, sia come una sorta di "vernici" da spruzzare, apre una gran quantit di nuove opportunit. Le celle solari cucite sugli indumenti permetteranno di alimentare numerosi dispositivi portatili: dai cellulari agli Mp3, dai navigatori satellitari a piccoli computer. Altre applicazioni potrebbero essere schermi flessibili, robot, tende per ricaricare le batterie. E poich queste celle solari potranno essere piegate e conservate in un piccolo spazio, le si potranno usare pure per ricaricare i computer portatili o

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altri dispositivi elettronici, e ci anche all'interno degli edifici, poich le celle solari organiche sono in grado di lavorare bene anche con la luce artificiale.

LA SECONDA FASE DELLA RIVOLUZIONESul pi lungo termine, con l'aumentare degli investimenti in ricerca e lo sviluppo di nuovi nanomateriali pi efficienti e stabili, le celle solari organiche potranno fornire un contributo significativo alla conversione dell'energia solare in energia elettrica. Le rivoluzionarie celle organiche, infatti, promettono di far decrescere il costo dell'energia solare a un punto tale da renderla ampiamente diffusa, sebbene al momento molto lavoro rimanga da fare sul versante dell'efficienza e degli involucri per proteggere le celle dalla degradazione ambientale. In particolare, le celle organiche "a pigmenti sensibili" (dye sensitized) - che attualmente hanno un'efficienza inferiore a quella delle migliori celle a film sottile - hanno un rapporto prestazioni/prezzo che in teoria abbastanza alto da permettere loro, una volta effettivamente raggiunto, di competere con i combustibili fossili e con il nucleare nella produzione di energia elettrica. Quel giorno, anche il destino dei pannelli solari fissi come li conosciamo oggi sar segnato.

LE TRE CHIAVI DEL SUCCESSOSono tre i fattori chiave che determineranno il successo delle celle solari organiche: il prezzo, l'efficienza e la durata. Poich esse sono fabbricate senza dover utilizzare i complessi e costosi sistemi ad alto vuoto per permettere la crescita dei cristalli - necessari invece per le tradizionali celle al silicio cristallino - il loro costo ammonter probabilmente a 1/5 di quelle al silicio. La loro efficienza ha gi raggiunto dei livelli accettabili, e continuer a crescere. La durata, invece, rappresenta ancora un fattore critico, poich le celle sono suscettibili di ossidazione e possono venir danneggiate dall'umidit. Inoltre,

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non si hanno dati sull'impiego a lungo termine di celle flessibili n metodi di test standardizzati per misurare la vita del prodotto. L'obiettivo a breve termine per le aziende, prima di iniziare la commercializzazione su larga scala di queste celle, sar di aumentarne l'efficienza fino al 10% - un traguardo che appare ormai alla portata - e di

allungarne la durata ad almeno tre anni.

5. ESEMPI DI CELLE FOTOVOLTAICHE DI TERZA GENERAZIONE

MICROCELLE SOLARI SFERICHE AL SILICIOLe celle solari sferiche sono una tecnologia proprietaria di cella fotovoltaica esteticamente molto gradevole e dalle applicazioni molto flessibili. Sono gocce altamente trasparenti di silicio solidificato di 1,8 millimetri di diametro, e ci presenta numerosi vantaggi. Tali celle, infatti, possono essere incluse in un vetro per creare, ad es., una finestra solare trasparente (che trasmetta fra il 20% e l'80% della luce) capace di assorbire la radiazione proveniente da qualsiasi direzione o angolo. Poich entrambi i lati del substrato possono raccogliere la luce - raccogliendone pi dei sistemi piani la mattina presto e nel tardo pomeriggio - ci si traduce in un generatore di elettricit altamente efficiente. Le celle possono venire incluse anche in superfici flessibili, dando loro forme inusuali o permettendogli di venire curvate se necessario. Ci danno quindi un'idea di come le finestre o degli altri oggetti potrebbero, in un futuro non lontano, essere usati per raccogliere l'energia solare e trasformarla in elettricit.

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CELLE SOLARI ORGANICHE COLORATE E SEMITRASPARENTIUna delle pi note aziende al mondo specializzate nel fotovoltaico organico ha messo a punto delle celle solari organiche semitrasparenti, colorate e leggere, dai molteplici usi. Possono essere applicate sulla superficie di auto, tende e per la copertura di facciate continue di edifici, dunque nella doppia funzione di parete e vetrata. Spesse appena mezzo millimetro, tali celle operano anche

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con la debole luce interna a un edificio, e sono completamente riciclabili. Sono disponibili in vari formati e potenze per le diverse applicazioni nel campo dell'elettronica (caricabatterie per cellulari, computer, etc.), dell'abbigliamento (zaini, borse, etc.), dell'edilizia (pensiline per auto, finestre, etc.). In base al tipo di celle organiche utilizzate, possibile scegliere diversi livelli di trasparenza alla luce nella regione spettrale del visibile e dell'infrarosso vicino. Inoltre, possibile scegliere la lunghezza d'onda (e l'ampiezza dello spettro) della luce che si vuole far passare attraverso il film sottile di celle.

CELLE SOLARI A PIGMENTI SENSIBILI "RICARICABILI"Un'azienda americana ha immesso sul mercato delle innovative celle fotovoltaiche elettrochimiche "a pigmenti sensibili" (dye sensitized), note anche come celle di Graetzel, dal nome del suo inventore. Esse sono pi efficienti delle celle classiche al silicio ed hanno costi di produzione significativamente pi bassi delle celle solari tradizionali, grazie alla loro semplicit ed al fatto che impiegano materiali attivi a basso costo, come il biossido di titanio. Il problema che caratterizzava questo tipo di celle fotovoltaiche era il ciclo di vita piuttosto breve, ovvero la scarsa durata dovuta al degradarsi dei pigmenti sensibili. L'idea che quest'azienda ha avuto per risolverlo in maniera brillante stata di rendere le celle completamente "ricaricabili": processi chimici non tossici permettono di rimuovere e di

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rimpiazzare il pigmento sensibile, nelle celle gi installate, con del nuovopigmento, riportando le celle alle loro prestazioni originali e superando cos, anche sul versante della durata, la tecnologia del silicio.

Moduli connesssi in serie di celle "a pigmenti sensibili" di vari colori (a sinistra) e cella "ricaricabile" (a destra).

CELLE FOTOVOLTAICHE MULTI-USO A PIGMENTILe celle fotovoltaiche "a pigmenti" (dye) utilizzano una tecnologia innovativa nota come "fotosintesi artificiale". Infatti sono composte da un elettrolita, uno strato di titanio e un pigmento, e quest'ultimo svolge un ruolo analogo alla clorofilla: quando la luce colpisce il pigmento, libera elettroni che vengono assorbiti dal titanio, generando una corrente. Si tratta di celle solari flessibili ma al tempo stesso robuste - e disponibili in vari colori - che rappresentano il "mattone" fondamentale per moltissime applicazioni, a seconda delle quali utilizzano come substrato vetro, metallo, ceramica o plastica. Rispetto alle celle al silicio, quelle a pigmenti risultano assai meno sensibili all'angolo di incidenza della radiazione, funzionano anche con la debole luce artificiale e sono poco sensibili alle variazioni di temperatura e agli ombreggiamenti. Le celle a pigmenti di quest'azienda australiana hanno un'efficienza dell'11% nella conversione della luce in elettricit e sono "bifacciali", cio possono assorbire la luce da entrambi i lati.

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Le celle organiche sono meno sensibili di quelle al silicio all'angolo di incidenza della luce.

CELLE A NANOCRISTALLI USABILI COME VERNICIUn'azienda del Regno Unito sta sviluppando, insieme a un gruppo di fisici dell'Universit di Leicester specializzati nelle tecnologie nanomolecolari relative alle celle fotovoltaiche a nanocristalli (o "quantum dots"), un nuovo tipo di film sottile di celle solari che possa in futuro essere "spruzzato" sulle superfici di materiali utilizzati negli edifici, per trasformarle in pannelli fotovoltaici: in pratica, moduli quasi totalmente trasparenti e chiari nel caso si tratti di vetri e, viceversa, fortemente assorbenti nel caso di moduli destinati alla copertura delle pareti esterne. In questa tecnologia di film sottile considerata quasi di quarta generazione, un sottilissimo strato di microcristalli viene depositato su un vetro che funge da substrato. Un vetro fotovoltaico risulta dunque, alla fine, composto da nanoparticelle metalliche inglobate in una matrice composita trasparente. La societ spera di far raggiungere alle celle a nanocristalli impiegate un'efficienza di almeno il 20%, e di immettere il prodotto sul mercato entro il 2016.

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6. CELLE POLIMERICHE, ORGANICHE, IBRIDE, A

PIGMENTILE CELLE POLIMERICHELe celle fotovoltaiche polimeriche sono un tipo di celle solari flessibili. Possono essere realizzate in vari modi, che includono le particolarmente note celle organiche (chiamate anche "celle solari plastiche"), le quali sono basate sulla chimica "organica", cio del carbonio. Ma esistono anche tipi di celle polimeriche diverse da queste, e che sono realizzate attraverso film sottili di semiconduttori depositati su differenti tipi di polimeri: in particolare, le cosiddette celle ibride abbinano i semiconduttori organici con quelli inorganici. Si tratta di tecnologie relativamente nuove, su cui nel mondo stanno facendo ricerca universit, laboratori nazionali e numerose aziende. Rispetto alle classiche celle al silicio, le celle polimeriche sono leggere, flessibili, utilizzano materiali abbondanti e non sono costose da fabbricare. Presentano, per, svantaggi piuttosto seri: hanno da 1/3 a 1/2 dell'efficienza delle celle tradizionali realizzate con materiali rigidi e sono relativamente

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instabili per quanto riguarda la degradazione fotochimica.

LE CELLE ORGANICHELe celle fotovoltaiche organiche sono celle solari che utilizzano polimeri organici (cio lunghe molecole basate sul carbonio) oppure piccole molecole organiche al posto dei semiconduttori inorganici, per l'assorbimento della luce ed il trasporto della carica. Ci permette di combinare la caratteristica flessibilit delle molecole organiche con un substrato altrettanto flessibile quale la plastica, che ha bassi costi di produzione. Il coefficiente di assorbimento di luce delle molecole organiche risulta elevato, perci una grande quantit di luce pu essere assorbita con una piccola quantit di materiale. Ci consente un abbattimento dei costi, senza per aumento di efficienza. Gli svantaggi delle celle organiche sono, in effetti, costituiti proprio dalla bassa efficienza (circa il 3-6%), ma anche dalla bassa stabilit (per quanto riguarda ossidazione, riduzione, ricristallizzazione e variazioni di temperatura, che possono degradare il dispositivo nel tempo) e dalla bassa robustezza rispetto alle celle inorganiche.

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L'ARCHITETTURA DELLE CELLE ORGANICHELe celle organiche possono essere realizzate in vari modi, ad es. utilizzando una catena polimerica come donatore di elettroni e molecole di fullerene (una macromolecola di carbonio a forma di pallone di calcio) quali accettori di elettroni dal polimero illuminato dalla luce, come quelle realizzate nel 2008 da un'azienda americana spin-off del famoso Massachusetts Institute of Technology (MIT), che hanno il 3-5% di efficienza e durano solo un paio di anni, per cui sono adatte solo in applicazioni di nicchia: borse di laptop, finestre, ombrelli, etc. La pi semplice architettura che pu essere usata per una cella organica la cosiddetta eterogiunzione planare (v. figura), che una sorta di sandwich, le cui fette sono strati planari detti "di contatto" e la cui "imbottitura" costituita da un film di polimero fisicamente "coniugato" - con una complessa geometria a livello molecolare - al film dell'accettore di elettroni, che in questo caso il fullerene, mentre nelle celle ibride sono nanoparticelle di semiconduttore inorganico.

LE CELLE SOLARI IBRIDELe celle ibride sono dunque il principale tipo di celle solari organiche su cui oggi si fa ricerca, e combinano i vantaggi degli innovativi semiconduttori organici con quelli dei classici semiconduttori inorganici. Nelle celle solari tradizionali, cio quelle al silicio cristallino, si usano due strati di semiconduttori, uno con eccesso di elettroni (strato n) e uno con eccesso di "lacune" (strato p): quando gli elettroni della cella assorbono un fotone di luce, si genera una coppia "lacuna-elettrone" che induce un flusso di corrente. Il fotovoltaico ibrido - ad es. del tipo "polimero-nanoparticelle" - utilizza, al posto della "giunzione p-n" fra gli strati p ed n, una giunzione fra uno strato di polimeri organici e uno strato di materiali inorganici per assorbire la luce e per trasportare gli elettroni, e dunque la corrente. La giunzione viene creata assemblando su una matrice polimerica delle nanoparticelle di semiconduttore

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inorganico, secondo una geometria che massimizza l'efficienza del dispositivo, attualmente intorno ad appena il 2-3%.

LE CELLE A PIGMENTI SENSIBILI (O DYE-SENSITIZED)Le celle "a pigmenti sensibili" (note in inglese come dye-sensitized) - dette anche celle di Gratzel dal nome del chimico svizzero che le ha inventate nel 1991, o celle fotoelettrochimiche - sono un particolare tipo di celle fotovoltaiche ibride che usano un pigmento organico colorato (dye) per assorbire la luce e creare una coppia elettrone-lacuna, come conduttore delle lacune impiegano un elettrolita liquido, mentre il conduttore di elettroni costituito da uno strato semiconduttore di ossido metallico nanoporoso. Queste celle, che appartengono al gruppo delle celle a film sottile ma hanno un'efficienza pi bassa, si caratterizzano per il costo molto basso e per la semplicit dell'apparato necessario per produrle. Poich l'uso di un elettrolita liquido impone l'uso di un sigillante per contenere il liquido in un film sottile, una possibile alternativa sostituirlo con nanopolimeri conduttori, il che consente di realizzare una vernice meno efficiente ma utilizzabile su vari materiali flessibili e non con un processo di stampa.

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7. LA RIVOLUZIONE NANOTECNOLOGICA ED I

NANOMATERIALIL'EVOLUZIONE DELLE CELLE POLIMERICHEL'attenzione dei ricercatori a caccia di alternative alle celle solari tradizionali si da tempo focalizzata sulle celle polimeriche, o "plastiche", sviluppate fin dagli anni Settanta, quando sono emersi i polimeri conduttori. Tuttavia, le propriet elettriche e ottiche di tali polimeri non erano comparabili con quelle dei classici materiali semiconduttori cristallini usati nelle comuni celle al silicio, perci inizialmente le prestazioni sono state molto scarse, specie riguardo l'efficienza. Fortunatamente, in seguito sono stati prodotti una variet di nanomateriali materiali che hanno almeno una dimensione misurata sulla nanoscala, o 10-9 metri - che hanno permesso significativi miglioramenti nelle celle polimeriche. Cos, oggi l'interesse degli scienziati va soprattutto alle celle polimeriche organiche - cio basate sul carbonio - e, in particolare, agli approcci ibridi, in cui dei nanomateriali semiconduttori fotoattivi inorganici vengono introdotti in celle FV basate su una sottile pellicola polimerica organica che fa da matrice.

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LA RIVOLUZIONE DEI NANOMATERIALILe celle solari polimeriche attuali rappresentano un esempio concreto di applicazione delle nanotecnologie - o, pi appropriatamente, di nanomateriali sintetici - per migliorare un dispositivo: in questo caso, una cella fotovoltaica. Molti dei nanomateriali che si stanno studiando per un utilizzo nelle celle solari polimeriche svolgono, di fatto, pi ruoli. Nelle celle polimeriche non-ibride, i nanomateriali usati permettono di assorbire una pi larga porzione dello spettro solare, ma possono essere utilizzati anche per liberare e trasportare i portatori di carica elettrica creati dall'assorbimento della luce da parte del polimero. Nelle celle polimeriche ibride (cio che utilizzano sia semiconduttori "organici", ovvero basati sul carbonio, sia normali semiconduttori inorganici), i ricercatori usano nanoparticelle (cio particelle grandi appena 1-100 x 10-9 metri), "nanotubi" o altre forme di strutture molecolari al carbonio per cercare di migliorare l'efficienza e di superare gli altri svantaggi associati alle celle polimeriche base.

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MIGLIORARE L'EFFICIENZA CON I "QUANTUM DOTS"In parte, i ricercatori hanno migliorato le prestazioni delle celle solari ibride "regolando" le propriet dei nanomateriali in modo tale da fargli svolgere al meglio una particolare applicazione, come ad es. l'assorbimento della luce. Quando la dimensione di un materiale diventa comparabile con l'estensione spaziale degli elettroni che lo occupano, tali materiali esibiscono effetti di "confinamento quantistico": in pratica, propriet ottiche ed elettriche particolari. Per esempio, certi nanocristalli semiconduttori inorganici permettono di assorbire fotoni di luce di bassa energia (ad es. luce ultravioletta) e di convertirli in qualche modo in fotoni di energia pi alta, in grado di dar luogo al normale processo fotovoltaico che si svolge in una cella polimerica. I materiali con tali propriet sono comunemente noti come "punti quantici" (o quantum dots), a indicare che sono confinati dal punto di vista quantistico in tre dimensioni. L'utilizzo dei nanomateriali quantistici permette, quindi , di migliorare l'efficienza di una cella.

Quantum dots eccitati da luce ultravioletta. Il colore diverso legato alla loro dimensione.

LE CELLE A NANOCRISTALLILe celle solari a nanocristalli - o celle solari quantum dots (cio "a"punti quantici") - sono celle solari che nella loro forma pi semplice sono basate su un substrato di silicio ricoperto di un sottilissimo strato di nanocristalli quantistici (o quantum dots) ottenuto con una nuova e pi economica tecnologia di film sottile. Il principio di funzionamento delle celle a nanocristalli stato individuato nel 1990 dal chimico svizzero Michael Graetzel che, ispirandosi alla fotosintesi clorofilliana osservata in natura, ha posto sulla superficie di un semiconduttore - fatto di nanocristalli di biossido di titanio (TiO2) - uno strato di molecole organiche trattate e "dedicate" proprio ad assorbire la luce. Sebbene oggi la ricerca sulle celle a nanocristalli sia solo all'inizio, in futuro il fotovoltaico basato sui nanocristalli potr offrire vantaggi quali la flessibilit meccanica (attraverso composti di polimeri e nanocristalli),

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bassi costi, elevata efficienza di conversione della luce in energia elettrica (fino al limite teorico calcolato, superiore al 50%).

Nanocristalli su una superficie di silicio visti con un microscopio a forza atomica.

IL POTENZIALE DEL NUOVO "FILM SOTTILE"Le nanotecnologie, dunque, affrontando uno ad uno i vari problemi legati alle celle innovative su cui si fa oggi ricerca, permetteranno nei prossimi anni di realizzare dei film sottili (e in alcuni casi anche delle vernici) di celle fotovoltaiche leggere, robuste, flessibili, efficienti e potenzialmente poco costose. Ad esempio, le nanostrutture composte da quantum dots in silicio di diverse dimensioni - ciascuna delle quali interagisce con una determinata frequenza dello spettro solare - potranno consentire di sfruttare con grande efficienza una larga porzione dello spettro della luce solare, un po' come avviene nelle celle multigiunzione usate nei pannelli e nei sistemi fotovoltaici a concentrazione. Pi in generale, realizzando opportuni strati di materiale sottili a livello di nanoscale, e sovrapponendo fra loro pi strati di diverso spessore sensibili a frequenze di luce diverse, con le celle solari di nuova generazione sar possibile assorbire fino a 10 volte pi energia di quanto inizialmente fosse ritenuto possibile.

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8. IL FUTURO DEI PANNELLI SOLARINegli ultimi venti anni abbiamo assistito al continuo miglioramento del rendimento dei pannelli solari fotovoltaici. Una serie di innovazioni incrementali hanno consentito di realizzare celle fotovoltaiche in grado di convertire una maggiore quantit di energia solare in energia elettrica. L'attuale tecnologia di realizzazione dei pannelli solari si basa principalmente sull'impiego di silicio amorfo (detti anche 'pannelli solari di prima generazione'). In futuro le innovazioni della scienza dei materiali potrebbero ulteriormente migliorare il rendimento dei pannelli di nuova generazione. Per analizzare i possibili scenari futuri faremo riferimento ai principali filoni di ricerca. Pannelli solari di seconda generazione. I pannelli solari di seconda

generazione sono realizzati mediante celle di silicio in film sottile. Questa nuova tecnologia utilizza una minore quantit di silicio amorfo, parzialmente sostituito con altri materiali come il tellururo di cadmio, il diseleniuro di rame, indio e gallio. Pannelli solari di terza generazione. I pannelli solari di terza generazione sostituiscono del tutto il silicio mediante l'impiego di polimeri con eguali funzioni fotovoltaiche. Pannelli solari di quarta generazione. I pannelli solari di quarta generazione utilizzano perlopiu nanomateriali con propriet fotovoltaiche, realizzati mediante processi di ricottura pulsata. L'ottimizzazione dei materiali e delle tecniche di lavorazione delle celle fotovoltaiche consentir, nel corso del prossimo decennio, di migliorare il rendimento dei pannelli solari di nuova generazione. Questi filoni di ricerca dovrebbero consentire di superare la futura scarsit del silicio come fattore critico di sviluppo dell'energia solare fotovoltaica e contribuire alla riduzione dei costi tecnologici.

Sitografiahttp://www.solarsi.it/ http://www.consulente-energia.com/ http://www.ecoage.com/

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