Il fotovoltaico (FV) “organico” può racchiudere nella sua definizione varie tecnologie di cella solare di nuova generazione in cui la sostanza attiva che assorbe la luce è costituita da molecole basate sui composti del carbonio. In via di sviluppo in molti laboratori internazionali, sia universitari che industriali, sono le celle solari a pigmento (Dye Solar Cell, anche conosciuta come DSC o cella di Graetzel), le celle ibride, le celle solari organiche a piccole molecole e le celle solari polimeriche anche dette plastiche. Queste ultime due tecnologie hanno visto un rapido raddoppio delle efficienze su singola cella da laboratorio (più alte rispetto a quelle raggiungibili su moduli di larga area come in tutte le tecnologie FV) in cinque anni oltrepassando la resa del 8% nel 2010 in quattro laboratori industriali. Tra questi la Konarka Technologies ha anche reso disponibili a livello commerciale alcuni primi prodotti di moduli flessibili per applicazioni portatili di nicchia.
Il principio base per ottenere una corrente significativa da una cella organica quando viene illuminata consiste da una parte nella sintesi di opportuni pigmenti o polimeri che assorbano efficacemente lo spettro solare, dall’altro sull’(auto)organizzazione su dimensioni dell’ordine di una decina di nanometri (milionesimo di millimetro) di queste molecole foto-assorbenti con altri materiali (in etero-giunzioni, per esempio formando delle miscele) che “strappino” da essi (e poi trasportino) gli elettroni foto-eccitati. La nanostrutturazione (specialmente quella spontanea) o nanotecnologia entra dunque fortemente nella fabbricazione e nella fisica di questi dispositivi fotovoltaici di nuova generazione.
Gli strati attivi delle celle organiche o polimeriche sono delle pellicole sottilissime spesse meno di un millesimo di millimetro frapposti tra due elettrodi, di cui uno solitamente metallico e l’altro trasparente per fare passare la luce solare. La deposizione dei materiali in film sottili avviene a costi ridotti, sia in soluzione liquida come veri e propri inchiostri o attraverso semplici processi di evaporazione. È possibile quindi usare metodi tipici dell’industria della stampa. Inoltre il fatto che i processi non richiedono alte temperature e i materiali siano “plastici” rende la tecnologia adatta a produzioni su substrati di film flessibili aprendo opportunità diverse sia dal punto di vista delle applicazioni (immaginate tendoni, coperture, superfici curve fotovoltaiche) che di fabbricazione (es. stampa roll to roll tipica di una tipografia). Questo rappresenta un grosso driver per il futuro abbattimento dei costi del fotovoltaico. Per la tecnologia su flessibile una delle sfide più grandi è quello di sviluppare dispositivi che durino molti anni con barriere efficaci ed a basso costo contro l’ingresso di ossigeno e vapore acqueo che tendono a degradare i materiali. Gli sviluppi recenti anche su questo aspetto mostrano trends promettenti.
È di oltre 11% l’efficienza più alta riportata per le dye solar cells in laboratorio. Qui la parte fotoelettricamente attiva, spessa una decina di micrometri, è costituita da un pigmento che si ancora su di uno strato di ossido di titanio (TiO2) nanoporoso e da un elettrolita. Questi sono inserite a “sandwich” tra due vetri conduttivi trasparenti che sono anche degli ottimi incapsulanti. Il TiO2 è facilmente depositato da paste con la tecnica della stampa serigrafica con il design voluto su larghe aree ed è possibile sintetizzare una varietà di molecole di pigmento molto ampia e diversa influenzando sia la performance fotovoltaica che la colorazione. È proprio questa flessibilità nella deposizione e formulazione dei materiali che può rendere “fotovoltaica” una facciata colorata semitrasparente, molto attraente per l’integrazione architettonica nel Building-Integrated Photovoltaics (BIPV). Le DSC inoltre lavorano bene anche in luce diffusa ed ad angoli obliqui, proprietà che forniscono a questa tecnologia una produzione energetica integrata sull’anno vantaggiosa anche rispetto ad altre tecnologie a parità di Wp installati. Il potenziale per rendere facciate verticali generatrici di potenza elettrica e quindi contribuire al mix energetico di un edificio è grande. Le DSC vengono anche sviluppate su sottili lamiere metalliche che possono essere rese conformabili con superfici curve.
Numerosi sono i laboratori universitari, accademici ed industriali che sono attivi nella ricerca e sviluppo del fotovoltaico organico dato il grande potenziale di questa tecnologia di nuova generazione. Si ambisce inizialmente al matching della tecnologia con applicazioni e quindi mercati dove almeno al presente non si compete direttamente con la matura tecnologia convenzionale al silicio cristallino come in varie installazioni del BIPV architettonico (es. facciate semitrasparenti) e nel flessibile/conformale/portatile. Per una sua commercializzazione, la ricerca si muove su più fronti. È continuo lo sforzo per sviluppare nuovi materiali, incrementare le efficienze ed i tempi di vita, per lo sviluppo di moduli e pannelli di larga area con performance che si avvicinano il più possibile a quelle delle celle di laboratorio con tecniche di fabbricazione automatizzate, efficienti ed a basso costo.
Alla fine del 2006 è stato istituito presso il nostro Dipartimento di Ingegneria Elettronica dell’Università di Roma – Tor Vergata, il Polo Solare Organico della Regione Lazio (www.CHOSE.it) con l’importante contributo della Regione Lazio. L’obiettivo scientifico che caratterizza il progetto è lo sviluppo di tecnologie di produzione di celle fotovoltaiche basate su materiali organici od ibridi e su processi di fabbricazione innovativi. Le università di Tor Vergata, Ferrara e di Torino insieme con due grandi industrie quali la Erg Renew e la Permasteelisa hanno costituito recentemente il consorzio Dyepower con lo scopo iniziale della realizzazione di una linea pilota per la fabbricazione di pannelli di vetro fotovoltaici dye solar cell.
di Thomas Brown, Polo Solare Organico della Regione Lazio – CHOSE. Dipartimento di Ingegneria Elettronica, Università degli Studi di Roma- Tor Vergata