La nuova generazione di concentratori solari luminescenti a base di nano materiali è il risultato di un progetto sulle energierinnovabili realizzato dei ricercatori dell’Università degli Studi di Milano-Bicocca. I prototipi messi a punto in questo studio aprono la strada allarealizzazione di finestre fotovoltaiche a basso impatto estetico che potranno essere facilmente integrate architettonicamente in edifici passivi contribuendo alla produzione di energia pulita a costi confrontabili con quelli di moduli tradizionali.

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Un futuro fotovoltaico per le finestre

Francesco Meinardi, Sergio Brovelli

Grazie al continuo aumento delle loro presta-zioni e a programmi di incentivazione economica chehanno caratterizzato le politiche fiscali della maggiorparte dei paesi occidentali, i pannelli fotovoltaici al si-licio sono ormai da parecchi anni il principale stru-mento con cui produrre energia da fonti rinnovabiliper il sostentamento di edifici a basso impatto am-bientale. Nell’ultimo triennio si è poi verificato un calodel loro costo al dettaglio di quasi il 70%, per cui èoggi possibile rendere energeticamente indipendentistabili di piccole dimensioni con un investimento ini-ziale che può essere recuperato in meno di un decen-nio. Il discorso cambia radicalmente in contesti aelevata urbanizzazione dove lo sviluppo dei fabbricatiè prevalentemente verticale. Qui, a meno di interventiad alto impatto architettonico, le superfici utilizzabiliper la posa di impianti fotovoltaici tradizionali, cioè itetti, non hanno dimensioni sufficienti per la produ-zione di tutta l’energia necessaria per soddisfare i biso-gni degli edifici, dato che ancora oggi è necessarioimpegnare circa 7 m2 per ogni kW di potenza di piccoinstallata. Ciò rende molto difficile soddisfare requisi-sti di sostenibilità come quelli decretati dalla Comu-nità Europea secondo cui, entro il 2020, tutti i nuoviedifici dovranno essere energeticamente neutri. Perquesto motivo, centri di ricerca di tutto il mondostanno attualmente studiando soluzioni innovativeper la realizzazione di sistemi fotovoltaici che possanoessere integrati direttamente nelle strutture di un im-mobile senza alternarne l’aspetto e senza influire sullaqualità della vita dei suoi occupanti. Proprio in questoambito si sviluppa il progetto realizzato presso il Di-partimento di Scienza dei Materiali dell’Università diMilano Bicocca per la costruzione di concentratori so-lari luminescenti (LSC, dall’inglese Luminescent Solar

Concentrator) a base di nanomateriali. Con essi saràpresto possibile trasformare finestre e vetrate da ele-menti puramente passivi, atti a provvedere solo all’iso-lamento di una costruzione, in dispositivi attivi ingrado di partecipare alla produzione di elettricità inedifici a consumo di energia netto pari a zero (Zero-Energy-Building).

I concentratori solariluminescenti

Fondamentalmente, gli LSC sono delle lastre di mate-riali plastici – come il plexiglas – in cui vengono inglo-bati dei cromofori, cioè dei materiali otticamenteattivi. Essi hanno il compito di assorbire la radiazionesolare e ri-emetterla all’interno della lastra in cui sonodispersi. Grazie al fenomeno della riflessione totale in-terna – lo stesso processo su cui si basa il funziona-mento delle fibre ottiche per telecomunicazioni – unaconsistente frazione della luce così generata viene gui-data verso i bordi esterni della lastra, dove può essereconvertita in energia elettrica da piccole celle solariconvenzionali istallate lungo il perimetro. Il nome con-centratori deriva quindi dal fatto che la luce raccoltadalla grande superficie della lastra viene “concentrata”sulle sue piccole superfici laterali. Cambiando il tipo dicromoforo e la sua concentrazione, è possibile cam-biare sia il grado di opacità delle lastre sia il loro co-lore, consentendo in questo modo di realizzarepannelli fotovoltaici facilmente integrabili in finestreo vetrate, coperture semitrasparenti, e rivestimentiper facciate.Questo tipo di dispositivi venne immaginato per laprima volta già nella prima metà degli anni ‘70 al MITdi Boston, con l’obiettivo di ridurre la quantità di sili-cio, allora molto costoso, impiegato nei sistemi foto-

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Schema di funzionamento diuna finestra fotovoltaica. Laluce del sole viene assorbita daicromofori dispersi in una lastradi materiale trasparente esuccessivamente riemessa,intrappolata e convogliata aibordi del dispositivo, dove cellesolari convenzionali laconvertiranno in elettricità.Affinché questi dispositivirisultino efficienti, è

indispensabile prevenire le perdite ottiche che possono essere dovute a diffusione della luce, in particolare sulle superfici se di bassaqualità, ma soprattutto al suo riassorbimento da parte dei cromofori stessi qualora essi non siano stati adeguatamente ingegnerizzati.Una volta integrati architettonicamente, questi dispositivi sfrutteranno una parte della radiazione per produrre energia, mentre la partetrasmessa provvederà all’illuminazione degli interni. Il grado di trasparenza potrà essere determinato in fase di produzione in modo daadeguarsi alla latitudine e alle condizioni climatiche della specifica installazione.

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tanti al bordo del concentratore. Ovviamente, il pro-blema diventa tanto più drammatico quanto piùgrandi sono le dimensioni del concentratore in quantoal crescere della distanza che la luce deve percorreredentro la lastra per raggiungere il bordo, aumenta pa-rallelamente anche la probabilità di essere riassorbita.Di conseguenza, mentre esistono innumerevoliesempi di concetratori di pochi centimetri di lato conbuone prestazioni, queste crollano drasticamente nonappena si cerca di realizzare dispositivi di dimensionicompatibili con quanto richiesto da una qualsiasi ap-plicazione in contesti reali.

Una nuova famiglia di cromofori

Per quasi tutta la loro storia, i cromofori utilizzatinegli LSC sono appartenuti a due categorie: quella deicoloranti organici e quella delle nanoparticelle colloidalidi semiconduttori. Con la prima si ha a disposizionetutta la potenza della chimica di sintesi che consentedi variare con grande flessibilità le proprietà ottichedelle molecole organiche e, in qualche caso, anche dilimitare il fenomeno del riassorbimento. Per contro, èmolto difficile, se non impossibile, sfruttare efficace-mente tutta la radiazione solare, e la stabilità di questisistemi a esposizioni prolungate alla luce resta un’in-cognita. Per quanto riguarda invece le nanoparticelle asemiconduttore, esse sono estremamente stabili e,

voltaici. Curiosamente, però, il loro primo impiegonon fu per il settore fotovoltaico bensì per la rileva-zione della radiazione prodotta dai raggi cosmiciquando questi interagiscono con gli strati superioridell’atmosfera. In ogni caso, rispetto ai sistemi a con-centrazione geometrica, cioè basati su lenti e specchi,che si stavano sviluppando nel medesimo periodo, gliLSC presentano il notevole vantaggio di non richiederecomplessi sistemi di inseguimento del sole, poiché la-vorano efficacemente anche a incidenza obliqua e conluce diffusa. L’attenzione per questa tecnologia ha spe-rimentato nei 40 anni della sua storia diverse oscilla-zioni, con picchi di interesse generalmente coincidenticon il succedersi delle varie crisi petrolifere, piuttostoche, come più di recente, con l’accresciuta coscienzaambientale dell’opinione pubblica mondiale. Il motivo per cui, a dispetto di oltre quattro decadi diricerca, a tutt’oggi non sia possibile trovare sul mer-cato nessun LSC integrato in una finestra fotovoltaica,risiede in ultima istanza nell’amore delle leggi della fi-sica per la simmetria. Infatti, il principale fattore chelimita le prestazioni degli LSC dipende dal fatto chetutti i cromofori “naturali” tendono ad assorbire nonsoltanto la radiazione solare ma anche quella da lorostessi riemessa, dato che i processi di assorbimento edemissione della luce altro non sono che due facce dellastessa medaglia. Questo fenomeno, detto autoassorbi-mento, fa sì che, anche se si è in grado di raccogliereefficacemente l’energia solare, risulta molto difficile,se non impossibile, farla arrivare senza perdite impor-

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La preparazione dei prototipi è derivata dalle procedureindustriali per la realizzazione di lastre colate. Dapprima le

nanoparticelle vengono miscelate con i precursori delpolimero selezionato, quindi si prepara lo stampo, conforma e dimensioni scelte a seconda delle specifiche

necessità, nel quale viene versata la miscela additivita conopportuni iniziatori. A questo punto il preparato può essere

polimerizzato termicamente o otticamente per larealizzazione delle lastre da cui ricavare gli LSC.

Le fotografie sono state acquisite sovrapponendoall’illuminazione naturale quella derivante da una debole

sorgente ultravioletta per verificare che il processo dipolimerizzazione non alteri le proprietà ottiche

delle nanoparticelle e che quindi venga preservata la loro luminescenza.

si è fin dall’inizio focalizzato su un tipo di nanoparti-celle innovative, quelle etero-strutturate. Esse, anzichéessere composte da un unico semiconduttore, sono ilrisultato di una doppia sintesi: dapprima si cresce unananoparticella e successivamente essa viene ricopertacon un rivestimento di un secondo semiconduttore.Queste strutture a cuore-guscio o, in inglese, core-shell,quando opportunamente ingegnerizzate, permettonodi assegnare a ogni loro porzione una specifica fun-zione. Ad esempio, è possibile separare il processo diemissione da quello di assorbimento eliminando ilproblema dell’auto-assorbimento. In particolare, se ilguscio è significativamente più spesso della parte in-terna, esso sarà l’unico responsabile dell’assorbimentodella luce. Successivamente trasferirà l’energia rac-colta al cuore della nanoparticella e sarà quest’ultimoa rimetterla a lunghezze d’onda dove il sistema è so-stanzialmente trasparente. Le nanoparticelle impiegate in questo progetto hannoun cuore di Seleniuro di Cadmio con un raggio di 1.5nanometri, ricoperte con uno strato di Solfuro di Cad-mio con spessori fino a 5 nanometri. Il rapporto tra ilvolume di guscio e cuore, che è il parametro fonda-mentale per determinare quanto efficacemente puòessere soppresso il riassorbimento, risulta quindi es-sere superiore a 80, facendo di queste nanoparticelledei candidati ideali per la realizzazione di LSC digrandi dimensioni. Dopo averne passivato le superficicon molecole organiche (ocido oleico), con il duplicescopo di proteggerle dalle interazione con le matrici incui verranno utilizzate e di aumentarne la compatibi-lità con materiali plastici, le nanoparticelle sono statemiscelate con il monomero precursore del Plexiglas.Questa miscela è stata quindi versata in uno stampoper lastre a facce piane e parallele e si è dato avvio a unprocesso di polimerizzazione termica derivato diretta-mente dalle procedure industriali. In questo modosono stati ottenuti LSC di lunghezza anche superioreai 20 cm, le cui dimensioni, è importante sottolinearlo,sono limitate unicamente dalla strumentazione dispo-nibile in un laboratorio di ricerca che è pensata perrealizzare prototipi piuttosto che dispositivi finiti.Come atteso, la loro caratterizzazione ottica ha dimo-strato la completa assenza di autoassorbimento conminime perdite dovute essenzialmente a processi didiffusione della luce derivanti da piccole imperfezionidella matrice piuttosto che delle superfici. L’efficienza

giocando con le loro dimensioni, è anche possibile ot-tenere dei buoni assorbimenti su una frazione consi-stente dello spettro solare. Per contro, presentanoemissioni e assorbimenti perfettamente risonanti, percui, in questi sistemi, il fenomeno dell’ auto-assorbi-mento è eccezionalmente pronunciato.Il lavoro di sviluppo di nuovi LSC a elevate prestazioni

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moderata tossicità che è stato bandito dalla ComunitàEuropea, il quale pone indubbi problemi di smalti-mento del prodotto alla fine del suo ciclo di utilizzo.Infine, analogamente agli LSC tradizionali, anchequelli a base di nanoparticelle etero-strutturate risul-tano fortemente colorati. Questo fattore, se da un latonon ne preclude l’eventuale impiego in contesti archi-tettonici dal design particolare, di fatto ne rende l’uti-lizzo nell’edilizia convenzionale difficilmenteproponibile. Per superare in un solo passaggio tutti i problemisopra elencati si è sviluppata una classe completa-mente diversa di nanoparticelle, prive di ogni ele-mento tossico, che sfruttano il drogaggio intrinsecoanziché l’eterostrutturazione per la separazione dellafunzione di assorbimento e di emissione della luce. Sitratta di nanosistemi a base di leghe di Solfuro e Sele-niuro di Indio e Rame (CuInSexS2−x) le cui proprietàpossono essere controllate operando sia sulla compo-sizione che sulle dimensioni. Inglobandole, come de-scritto in precedenza, in matrici plastiche si sonoquindi costruiti dei prototipi fino 150 cm2 di superficieche sono in grado di assorbire una porzione estrema-mente ampia dello spettro solare che va dal vicino ul-travioletto fino al vicino infrarosso, comprendendotutto l’intervallo del visibile. Questa eccezionale co-pertura spettrale, mai raggiunta prima in nessun altrotipo di LSC, ha permesso di ottenere efficienze di con-versione della potenza luminosa in potenza elettricafino al 3.2% con un grado di trasparenza delle lastrenella regione del visibile intorno all’80% (cioè solo il20% della luce è utilizzato per la produzione di ener-gia elettrica mentre il restante 80% attraversa il pan-nello per illuminare gli ambienti interni). Va inoltre

Esempi di prototipi di compositi realizzati incorporandonanoparticelle di prima (sopra) e seconda (sotto) generazione

in matrici plastiche. Le foto, ottenute illuminando con unasorgente UV, dimostrano come la luce generata all’interno delle

lastre sia convogliata efficacemente ai bordi dove verrannoinstallate le celle fotovoltaiche per la sua conversione in energiaelettrica. La foto in basso è stata ottenuta utilizzando un visoreinfrarosso in quanto l’emissione delle nanoparticelle avviene inquesto caso a lunghezze d’onda non visibili all’occhio umano.

di conversione ottica (rapporto tra numero di fotoniraccolti al bordo / numero di fotoni assorbiti) della fra-zione blu-ultravioletta dello spettro solare ha rag-giunto valori record di oltre il 10%. Inoltre, proiezioniricavate da simulazioni di ray-tracing condotte a par-tire dai dati sperimentali indicano che, al contrariodegli LSC tradizionali, queste prestazioni si conser-vano anche per dimensioni molto maggiori avvici-nando sempre più questa tecnologia alle esigenze didispositivi reali.

L’ultima frontieraI risultati ottenuti nella prima parte del progetto, se daun lato dimostrano per la prima volta che è possibilerealizzare LSC le cui dimensioni non sono più limitateda processi di autoassorbimento, dall’altro hannomesso in luce altri limiti che fino ad allora erano rima-sti in secondo piano, nascosti dagli sforzi profusi perfar raggiungere ai dispositivi dimensioni soddisfa-centi. Questi erano di carattere tecnologico, ambien-tale ed estetico. In primo luogo le prestazionicomplessive degli LSC erano ancora troppo basse, datoche essi sfruttavano efficacemente solo una piccolaporzione di tutta la luce solare. Inoltre, le nanoparti-celle impiegate contengono Cadmio, un elemento a

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sottolineato che per le nanoparticelle impiegate inquesti LSC non è ancora stata completate la fase di af-finamento della passivazione superficiale per cui essenon emettono con particolare efficienza la luce solareassorbita. Questo lascia margini di miglioramentodelle prestazioni di oltre un fattore due, semplice-mente intervenendo proprio su questo fattore. L’ultimo aspetto del tutto innovativo dei dispositivirealizzati con queste nanoparticelle riguarda proprio illoro aspetto. Grazie al comportamento omogeneo sututto lo spettro della luce solare, essi risultano, infatti,essenzialmente incolori, apparendo del tutto similialle lenti di un occhiale da sole piuttosto che alle pelli-cole che vengono comunemente applicate alle vetrateper ridurre l’insolazione degli ambienti interni. Es-sendo chiaramente questo un fattore chiave per la lorodiffusione, è stata condotta una dettagliata analisi co-lorimetrica che copre tutti i modi in cui un pannello

semitrasparente può influire sull’estetica di un edificiocosì come sulla qualità della vita di chi lo abita. Perquanto riguarda esplicitamente il colore di queste la-stre esso risulta avere coordinate CIE L*a*b* pari a L* =56.6, a* = 5.1 and b* = 32.1 che le collocano nella zonadei bruni scuri dell’atlante di Munsell, particolar-mente poco impattanti sull’armonia di una costru-zione. Analoghe considerazioni valgono per la qualitàdella luce trasmessa. La luce solare filtrata dagli LSCdà luogo a una sorgente luminosa con un CRI (indicedi resa cromatica) di 91 che secondo la norma UNI10380 la colloca nel gruppo 1A, quello delle sorgenti dimassima qualità idonee per l’illuminazione di abita-zioni, studi grafici, ospedali ecc. Analoghe considera-zioni possono essere fatte circa la distorsione deicolori percepiti osservando verso l’esterno (visione in-door to outdoor). In questo caso non esistono né normespecifiche né protocolli di misurazione consolidati,

Prototipi di LSC in fase di test al simulatore solare. A sinistra è mostrato un prototipo di concentratore primadell’applicazione delle celle solari lungo il suo perimetro.L’intensa emissione dalla piccola faccia laterale dimostraquanto efficacemente la luce proveniente dall’alto vengaconvertita e convogliati ai bordi. L’immagine a destradocumenta una fase delle misure di efficienza di unconcentratore accoppiato su un lato a una striscia di cellefotovoltaiche. L’emissione luminosa dai bordi liberi non è visibilein quanto generata nel vicino infrarosso quindi non percepibiledall’occhio umano.

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per cui si è scelto di effettuare un test, il Farnsworth-Munsell 100, utilizzato sia in medicina come scree-ning per individuare le varie forme di daltonismo, siada molte compagnie che operano in settori che vannodal design, alla fotografia, alla grafica per valutare lasensibilità al colore dei loro addetti. I risultati di que-sta indagine hanno inequivocabilmente dimostratoche gli LSC a base di naoparticelle di CuInSexS2−x nondistorcono significativamente la percezione dei colori,al contrario di quanto avviene con quelli basati su cro-mofori di vecchia concezione che immancabilmenteproducono alterazioni assimilabili a forme di daltoni-smo da moderate a severe. Nel complesso, queste ana-lisi hanno dimostrato il bassissimo impatto di questatecnologia che indubbiamente dovrebbe favorirne ladiffusione rispetto a tutti gli altri approcci con cui si è,negli anni, cercato di ottenere finestre fotovoltaiche;approcci che, invariabilmente, hanno mostrato con-troindicazioni estetiche così come effetti negativi sulconfort abitativo.

Rapporto costi/beneficiÈ evidente che qualsiasi sistema di produzione del-l’energia, per risultare utilizzabile in un contesto reale,deve risultare economicamente vantaggioso. Immagi-

nando di integrare gli LSC in serramenti a doppio o tri-plo vetro gli extra costi rispetto a una corrispondentefinestra passiva, sarebbero dovuti essenzialmente alcosto delle nanoparticelle. Infatti, le piccole celle con-venzionali al silicio da installare sui bordi sono cosìeconomiche da non incidere per più di qualche euro ametro quadrato, mentre i costi di cablaggio potrebberoessere anch’essi modesti se questi dispositivi venisseroinstallati in contesti già predisposti per lo sfrutta-mento dell’energia solare e quindi già dotati di inver-ter ed eventualmente sistemi di accumulodell’energia. Allo stato attuale, le nanoparticelle nonvengono prodotte su larga scala, però, considerando ireagenti di partenza e la semplicità di sintesi, stime ac-cettate a livello internazionale indicano come ragione-voli costi compresi tra i 5 e i 10 Euro al grammo pergrandi produzioni. Dato che per LSC come quelli pro-totipati in questo progetto sono necessari circa 20g/m2 di nanoparticelle, l’extra costo massimo per il di-spositivo dovrebbe essere intorno ai 200 Euro/m2, tral’altro ulteriormente riducibile se si riuscissero a uti-lizzare nanoparticelle ancora più economiche, chesono attualmente in fase di sviluppo. Per valutare l’energia prodotta, si immagini di utiliz-zare finestre fotovoltaiche anche solo con efficienzadel 5% per ricoprire unicamente la facciata rivolta a

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sud di un edificio come il famoso Shard di Londra cheha vetrate sui diversi lati per complessivi 56.000 m2.Assumendo per le perdite il valore tipico di un im-pianto fotovoltaico del 14%, l’energia prodotta dallafacciata dell’edificio ammonterebbe, alle latitudini delnord Italia, a circa 0.62 MWh/anno, equivalenti ai con-sumi tipici di 150 appartamenti abitati da famiglie di 4persone. Inutile sottolineare che tanto aumenti di effi-cienza quanto l’impiego degli LSC su più facciate au-menterebbero la produzione di energia elettrica. Questi numeri non solo sono sovrapponibili a quellidel fotovoltaico tradizionale di pochi anni fa, ma nonconsiderano i vantaggi collaterali connessi con il fattodi ridurre l’insolazione degli ambienti interni. Per edi-fici caratterizzati da grandi facciate, specialmente allelatitudini più basse, è infatti sempre necessario instal-lare sistemi di oscuramento delle vetrate o di sistemidi condizionamento estremamente costosi al fine dimantenere la temperatura interna a livelli conforte-voli. In un LSC, il grado di trasparenza può essere de-terminato in fase di produzione al fine di ottenere, perle specifiche condizioni ambientali di ciascuna instal-lazione, il miglior compromesso tra energia assorbita,e quindi minor surriscaldamento e maggior produ-zione di energia, e quantità di luce naturale disponi-bile per l’illuminazione indoor spostando

ulteriormente l’ago della bilancia dalla parte dei bene-fici rispetto a quella dei costi.

ConclusioniQuesto progetto, realizzato con contributi della Comu-nità Europea e della Fondazione Cariplo, ha dimo-strato come produrre LSC di grandi dimensioni ebuone efficienze di conversione utilizzando nanopar-ticelle opportunamente ingegnerizzate. I prototipi rea-lizzati impiegano materiali dai costi non proibitivi,stabili e non tossici né inquinanti. Inoltre, essi pos-sono essere facilmente integrati in un vasto numero dicontesti architettonici, grazie a un impatto esteticopraticamente nullo. Gli LSC diventano, quindi, oggi lapiù promettente tecnologia con cui realizzare, in unprossimo futuro, finestre fotovoltaiche con cui affian-care i tradizionali pannelli solari al silicio laddove, perrealizzare edifici energeticamente neutri, sia necessa-rio sfruttare tutte le superfici disponibili per la produ-zione di energia pulita.

Francesco Meinardi

Professore di Fisica della Materia, Università degli Studi Milano-Bicocca

Sergio Brovelli

Professore di Fisica Sperimentale, Università degli Studi Milano-Bicocca

Nella pagina a fianco: dal prototipo al fotovoltaico integrato. Il progetto sviluppato presso l’Università degli Studi di Milano-Bicocca prevede nel prossimo futuro di inserire gli LSC inserramenti convenzionali per trasformarli in finestre o vetratefotovoltaiche. Questi potranno poi essere integrati nellesuperfici verticali di un edificio per contribuire alla suaautosufficienza energetica senza alterarne le caratteristichearchitettoniche.Qui a destra, La simulazione del processo di funzionamento diun LSC mostra che, utilizzando cromofori opportunamenteingegnerizzati, la maggior parte della luce può essere fattaarrivare ai bordi per la sua conversione in energia elettrica.

Un’adeguata estetica è indispensabile per l’accettazione di ogninuova tecnologia che vada a interagire con la vita quotidianadell’utilizzatore. I concentratori sviluppati in questo progettohanno un aspetto molto simile a quello delle lenti di un occhialeda sole, come mostrato nell’immagine a sinistra, in cui due LSCcon diversa concentrazione di nanoparticelle sono fotografati suuno sfondo chiaro. Analogamente, essi hanno un impatto moltolimitato sulla nostra percezione del mondo esterno. Lefotografie sono state ottenute utilizzando LSC a diversa

trasparenza come filtro. Rispetto all’immagine originale (sulla sinistra) si nota un leggero incremento dei toni caldi rispetto a quantopercepito guardando attraverso un vetro convenzionale, ma senza sgradevoli alterazioni nella percezione dei colori.