L’Istituto Fraunhofer per i sistemi di energia solare ISE lavora da molti anni su celle e moduli solari organici in stretta collaborazione con il Centro di ricerca sui materiali FMF dell’Università di Friburgo con l’obiettivo di sviluppare ulteriormente il fotovoltaico organico insieme ai partner del settore e renderla disponibile a basso costo. L’obiettivo principale della ricerca è utilizzare materiali economici ed ecologici, nonché di sviluppare metodi di “upscaling” utilizzando processi “roll-to-roll” che consentono di produrre moduli solari in modo simile ai film abbattendo grandemente i costi rispetto ai dispositivi basati sul silicio.
Il fotovoltaico organico ha proprietà speciali che consentono numerosi nuovi campi di applicazione. Le celle solari organiche possono essere prodotte senza utilizzare metalli pesanti e altri elementi problematici. Sono leggere, meccanicamente flessibili e possono essere facilmente integrate dando un aspetto omogeneo anche nei modelli semitrasparenti. Selezionando semiconduttori organici che assorbono solo la luce infrarossa, è possibile sviluppare celle solari trasparenti per finestre, pellicole protettive per l’agricoltura o pellicole per serre e vetri. Questi combinano diversi vantaggi come la protezione dalle tempeste e il surriscaldamento fornendo allo stesso tempo la generazione di energia.
Poiché i moduli solari organici possono essere prodotti con un basso consumo di materiale ed energia, offrono un alto potenziale di risparmio di CO2, che può diventare ancora maggiore se si considerano gli usi sinergici.
A differenza delle celle solari inorganiche in cui lo strato attivo è costituito da un materiale come il silicio cristallino, lo strato attivo nelle celle solari organiche è costituito da una miscela di materiali donatori e accettori. Ciò è necessario perché il rendimento di generazione delle coppie di portatori di carica gratuita sarebbe altrimenti troppo basso. Dopo l’assorbimento dei fotoni, un trasferimento del portatore di carica avviene molto rapidamente all’interfaccia dei due materiali. In passato, i fullereni, cioè i derivati del C60, erano usati principalmente come accettori. Questo ha comportato una notevole perdita di energia durante il trasferimento di carica, riducendo di conseguenza la tensione della cella solare. Inoltre, i fullereni assorbono pochissima luce solare in modo che la corrente sia principalmente generata dal componente donatore.
Poiché i semiconduttori organici di solito assorbono solo in un determinato intervallo di lunghezze d’onda della luce solare, lo spettro solare non è adeguatamente utilizzato. Queste due limitazioni, tuttavia, potevano essere superate con innovazioni materiali. Nel frattempo, vengono utilizzate nuove molecole accettori, che sono più simili ai materiali del donatore. Modificando la struttura chimica, le loro proprietà ottiche ed elettriche possono essere adattate al meglio.
Poiché i nuovi accettori ora sono essi stessi assorbitori potenti, la corrente della cella solare potrebbe essere notevolmente aumentata. Allo stesso tempo, i livelli energetici del donatore e dell’accettore sono meglio abbinati, aumentando così la tensione in uscita. Di conseguenza, sono state raggiunte promettenti efficienze in tutto il mondo con una gamma di diversi materiali di assorbimento.
Di regola, questi vengono raggiunti su aree di celle molto piccole, spesso solo pochi millimetri quadrati. I ricercatori del Fraunhofer ISE hanno creato un design cellulare che conduce in modo efficiente la corrente fotogenerata dall’area della cellula attiva. «Una volta raggiunta un’elevata efficienza su piccole celle da laboratorio con un materiale assorbente commerciale, abbiamo quindi tentato di realizzarlo su celle con un’area più ampia di 1,1 cm2. I nostri risultati si sono dimostrati molto promettenti, poiché non sono state evidenziate perdite» afferma Birger Zimmermann, capo del gruppo tecnologia di produzione di celle solari organiche presso Fraunhofer ISE. L’efficienza certificata di questa cella misurata dal laboratorio di calibrazione accreditato CalLab PV Cells di Fraunhofer ISE è stata del 14,9%.
«Questo è un passo nella giusta direzione – afferma Uli Würfel, capo del dipartimento di fotovoltaico organico e perovskite presso Fraunhofer ISE e capogruppo presso il Centro di ricerca sui materiali FMF di Friburgo presso l’Università di Friburgo -. Abbiamo alcune idee su come aumentare ulteriormente l’efficienza, quindi le prossime settimane e mesi saranno molto entusiasmanti».
Durante tutto il lavoro di ricerca e sviluppo, i ricercatori tengono d’occhio l’obiettivo più grande: moduli elaborati “roll-to-roll”, dove devono essere soddisfatte ulteriori condizioni di contorno. Ora che il potenziale dei nuovi materiali assorbenti organici è stato dimostrato in laboratorio su una cella di piccola area, è ora necessario trovare modi per aumentare questo potenziale in moduli ad alte prestazioni e di grandi dimensioni. «Insieme ai partner industriali, continueremo a portare il fotovoltaico organico alla maturità del mercato – afferma Andreas Bett, direttore dell’Istituto -. Questa tecnologia, con le sue possibilità applicative flessibili, è un elemento importante a lungo termine per avviare l’espansione fotovoltaica urgentemente necessaria».
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