Nanotecnologie per l’energia fotovoltaica

Dalla rivista:
Elettronica Oggi

 
Pubblicato il 17 settembre 2009

Autore: Lucio Pellizzari

Nei laboratori delle piccole e medie imprese si sviluppano le tecnologie più innovative per l’uso delle nanoparticelle nei pannelli fotovoltaici di prossima generazione

Il compianto premio nobel 1996 per la chimica Richard Smalley fu lo scopritore del fullerene, C60, la terza forma di aggregazione del carbonio dopo il diamante e la grafite. Le sue ricerche svolte nell’85 dimostrarono l’esistenza in natura di sfere di carbonio formate da 60 atomi e caratterizzate da un’eccellente immunità alle sostanze che possono toccarne la superficie esterna. Quel giorno iniziarono nel mondo molte campagne di ricerca che permisero in poco tempo la sintetizzazione dei nanotubi di carbonio e oggi consentono di industrializzare metodi per la fabbricazione di materiali con proprietà straordinarie, la cui qualità viene impostata proprio a livello nanometrico.
All’iniziare del millennio lo scienziato pubblicò la sua classifica dei dieci problemi che l’umanità avrebbe dovuto affrontare nella prima metà del nuovo secolo e al primo posto designava l’energia, seguita nell’ordine da acqua, cibo, ambiente, povertà, terrorismo, malattie, educazione, democrazia e popolazione. Smalley motivava questo giudizio osservando la preoccupante inefficienza con cui gli uomini sprecano le risorse energetiche del pianeta e poi assegnava alle nanotecnologie la speranza e la responsabilità di rimediare, insegnando agli uomini e alle industrie nuove tecniche di conversione dell’energia più attente alla salute del pianeta.

In effetti, ogni anno sulla terra si consumano circa 15 TW quasi tutti provenienti da fonti non rinnovabili, costose e storicamente coinvolte in ogni sorta di conflitti bellici e finanziari, mentre ogni anno il sole riesce a fornirci gratis e senza timore di esaurimento ben 120000 TW. Tuttavia, dall’esaustivo grafico tratto dal World Energy Outlook 2008 dell’International Energy Agency si evince chiaramente come le energie rinnovabili siano ancora troppo deboli nello scenario mondiale per confrontarsi alla pari con le altre. È evidente che il sole potrebbe toglierci da molti guai, ma affinché ciò succeda bisogna aumentarne la competitività commerciale migliorando la convenienza economica del suo sfruttamento ed è perciò che molti laboratori stanno incentrando le ricerche sui materiali nanocompositi che possono far compiere ai pannelli fotovoltaici e solari il salto di qualità tanto atteso da tutti.

Fig. 1 – Scenario descritto nel World Energy Outlook 2008 dell’IEA che dimostra la debolezza delle fonti di energia rinnovabili nel mondo

Nanometri fotovoltaici
Il silicio abbonda in natura, non è tossico, è recuperabile praticamente all’infinito e dispone di un’economia di scala tale da consentire la fabbricazione a costi competitivi di qualunque oggetto. Pertanto, i pannelli fotovoltaici possono diventare un proficuo segmento applicativo per i wafer a film sottile di silicio, in tutte le sue forme conosciute: silicio amorfo (molecole disordinate che occupano superfici poco dense), monocristallino (molecole ordinate secondo un’unica forma omogenea in tutto il cristallo) e policristallino (molecole agglomerate in piccoli cristalli elementari disposti regolarmente). Le superfici di silicio amorfo sono più facili da industrializzare, costano poco e sono molto robuste, ma meno efficienti nelle prestazioni elettriche, al contrario del silicio monocristallino che è più efficiente ma costoso e fragile. In ottimale equilibrio fra il costo e le prestazioni, il silicio policristallino è il più usato e si può distinguere fra microcristallino e nanocristallino quando i cristalli elementari hanno dimensioni rispettivamente nell’ordine del micron o del nanometro.

Una semplice cella fotovoltaica si può realizzare depositando uno strato di silicio amorfo di tipo N sopra a uno strato di silicio microcristallino di tipo P e chiudendo il tutto fra due sottili superfici conduttive trasparenti (che terminano su due morsetti all’esterno) e poi con due protezioni di vetro. Se il gap energetico nella giunzione è esattamente uguale all’energia dei fotoni solari, allora ogni fotone induce il passaggio di una lacuna dallo strato N allo strato P e di un elettrone nel senso inverso, fornendo ai morsetti esterni una corrente proporzionale alla quantità di fotoni. Gli attuali pannelli fotovoltaici sono fatti quasi tutti così e hanno rendimento medio che varia dal 5 al 15%, mentre solo nei costosi pannelli montati sui satelliti si possono trovare valori attorno al 30%.
I costruttori di dispositivi, tuttavia, sanno che per aumentare il rendimento delle giunzioni a semiconduttore basta usare molti più strati e realizzare eterogiunzioni con Si, SiGe, GaAs, InGaP e simili, ma così facendo crescono anche i costi di fabbricazione. Grazie ai recenti sviluppi nelle nanotecnologie, tuttavia, è possibile lavorare il silicio in modo da depositarlo ordinatamente in righe di cristalli sferici, ciascuno dei quali con diametro di una decina di nanometri e ugualmente distante una decina di nanometri dalle righe vicine. A queste dimensioni le bande di conduzione e valenza degli atomi di silicio su cristalli adiacenti si sovrappongono creando giunzioni periodiche capaci di generare l’effetto fotovoltaico con efficienza elettrica molto maggiore. Inoltre, il vantaggio di essere molto sottili ne consente l’ingegnerizzazione su diversi tipi di supporti sia rigidi come l’acciaio o il legno, sia flessibili come la plastica e i tessuti.

Un’altra possibilità è quella di usare materiali organici chimicamente reattivi detti “donori” e “accettori” caratterizzati da una composizione molto particolare a livello nanometrico che consente di ottenere l’effetto fotoelettrico. In pratica, i primi hanno molecole capaci di assorbire alcuni fotoni per portarsi in uno stato energeticamente eccitato nel quale hanno una buona probabilità di dissociare qualche coppia elettrone/lacuna. Le molecole accettori servono ad accelerare questo passaggio e a liberare gli elettroni conservando una condizione energeticamente favorevole nella cella. Disponendo uno strato di donatori sopra a uno strato di accettori nella stessa configurazione a giunzione precedente si può fare in modo che ogni fotone entrante scateni la liberazione di un elettrone da parte di un donatore, la sua immissione nel circolo elettrico e la conseguente cattura da parte di un accettore dall’altra parte. Due materiali che stanno dando buoni risultati in proposito sono il polimero Poliparafenilenvinilene, PPV, come donatore e il prezioso fullerene come accettore, entrambi utilizzati in spessori di circa 20 o 30 nm.

Una tecnologia molto promettente è quella delle celle di Graetzel formate da uno strato di colorante organico (a base di iodio o rutenio) a contatto con uno strato di biossido di titanio, TiO2, il tutto fra due superfici conduttive che fanno da morsetti terminali. In pratica, i fotoni incidenti sul colorante servono per dissociarne chimicamente alcuni ioni con la conseguente produzione di elettroni liberi di muoversi e di lacune che rimangono nel colorante sotto forma di ioni positivi. Gli elettroni hanno energia superiore alla banda di conduzione del TiO2 e sono rapidamente catturati dai suoi nanocristalli e subito trasferiti al morsetto conduttore che li mette in circolo come corrente elettrica, che torna poi a chiudersi sul colorante. In questa configurazione il donore è il colorante, mentre il TiO2 è accettore, ma serve soprattutto come acceleratore che incrementa notevolmente l’efficacia della reazione. Attualmente si stanno sperimentando tecniche che consentiranno di fabbricare le celle di Graetzel allo stato solido in configurazioni modulari che potranno scalare anche in grandi dimensioni.

Fig. 2 – Schema di una cella fotovoltaica elementare nelle tre tecnologie
più diffuse: silicio, polimeri organici e fullerene, cella di Graetzel

Un’innovativa variante ibrida fra le ultime due tecnologie consiste nell’utilizzare come donore un polimero conduttivo e come semiconduttore accettore uno strato di nanotubi di carbonio. Questi ultimi sono in pratica dei fogli di grafite arrotolati a cilindro con il diametro di una decina di nanometri e lunghezza teoricamente infinita, ma che dipende però dalla tecnica di fabbricazione. Scoperti da qualche anno, ma caratterizzati in forma utilizzabile solo da pochi mesi, i nanotubi di carbonio hanno recentemente dimostrato proprietà strutturali sorprendenti con valori eccezionalmente elevati di resistenza meccanica, conducibilità termica e mobilità elettronica. Depositando un polimero organico fotoassorbitore sopra uno strato di nanotubi di carbonio si ottiene una giunzione tale per cui i fotoni irradianti le molecole del polimero inducono la liberazione di elettroni che passano all’interno dei nanotubi dove possono viaggiare rapidamente convogliati verso i catodi posti alle loro terminazioni. In pratica, si può ottenere una cella solare con dimensioni nanometriche molto efficiente e dai costi di fabbricazione relativamente bassi.

Fig. 3 – Superficie con cristalli di silicio depositati ordinatamente a livello nanometrico

Il ruolo delle PMI
Vi sono alcune giovani società con laboratori molto attivi sulle nanotecnologie dedicate all’energia fotovoltaica.
AluBuild commercializza pannelli compositi, accessori e attrezzature per la lavorazione dei compositi, strutture in alluminio per facciate ventilate, pale frangisole, pannelli fotovoltaici e rivestimenti per arredo interno ed esterno. Fra i suoi prodotti più innovativi spiccano i pannelli in titanio con trattamento fotocatalitico che serve a modificare i nanotubi di biossido di titanio per conferirgli una struttura detta “anatasio” che, in pratica, oltre ad avere le pregevoli doti di resistenza meccanica e immunità batterica tipiche del titanio, può assorbire i raggi ultravioletti e usarli per catalizzare l’ossidazione di molti inquinanti quali CO, NOx, fenoli, benzene, tricloroetilene, acetaldeide, toluene e formaldeide, ottenendo un effetto di disinquinamento ambientale di grande interesse applicativo nell’edilizia.

Fig. 4 – AbuBuild offre pannelli compositi per svariate applicazioni, nonché pannelli in biossido di titanio fotocatalitico con proprietà disinquinanti

Cyanine Technologies è una start-up torinese fondata da un team di chimici, biologi e biotecnologi con esperienza nella ricerca avanzata sui coloranti fluorescenti organici e sui complessi organometallici luminescenti. Due anni fa hanno deciso di mettere a frutto i risultati di alcune loro ricerche sulla diagnostica molecolare a livello nanometrico per iniziare a sviluppare prodotti commerciali per applicazioni specifiche riguardanti diversi settori. L’azienda è fortemente focalizzata nella progettazione e nello sviluppo dei nanomateriali e ha realizzato in proprio alcune metodologie per la sintesi di: nanoparticelle organiche fluorescenti auto assemblanti, nanoparticelle fluorescenti legate a biomolecole per imaging cellulare e drug-delivery (ambito dove spicca il brevetto sul colorante IRIS reattivo nel visibile e vicino infrarosso), nanoparticelle di silice e biossido di titanio funzionalizzate sia bulk che porose, polveri e quantum dot di silicio. Nelle ultime due categorie di prodotti sono comprese anche caratterizzazioni specifiche per le celle organiche e ibride dei pannelli fotovoltaici di nuova generazione.

Fig. 5 – Cyanine Technologies progetta e sviluppa nanoparticelle organiche fluorescenti per imaging cellulare e nanocristalli di silicio funzionalizzati per le celle fotovoltaiche

Hydro2Power è una giovane azienda cresciuta dapprima nei laboratori del Politecnico di Milano e poi nella sua attuale vicina sede di Vaprio d’Adda dove sviluppa e produce soluzioni per l’energia alternativa a elevato contenuto tecnologico. L’azienda progetta e realizza prototipi di fuel-cell, celle a idrogeno, stazionarie o portatili, per uso industriale o consumer e per un’ampia varietà di applicazioni, dal caricacellulare agli impianti chiavi in mano fino a oltre 60 kW di potenza elettrica. I suoi esperti hanno messo a punto una tecnologia che consente di accoppiare una fuel-cell a un pannello fotovoltaico in modo tale che l’energia solare serva a ricaricare tramite elettrolisi delle cartucce d’idrogeno che possono poi essere immagazzinate anche per lunghi periodi e utilizzarsi come carburante quando non c’è sole con efficienza e comodità decisamente superiori rispetto alle attuali tecnologie. Per promuovere la “Hydrogen Economy” ha perciò creato la piattaforma Web H2Planet dove si possono trovare molti prodotti fra cui celle a combustibile all’idrogeno o al metanolo, bombole H2S per lo stoccaggio dell’idrogeno a bassa pressione, elettrolizzatori o generatori d’idrogeno in tecnologia alcalina e a boroidruri, kit didattici per avvicinarsi alle tecnologie basate sull’idrogeno, giocattoli didattici come automobili radiocomandate con mini fuel cell ricaricabile, caricabatterie da viaggio o universali basati su minipannello solare e fuel cell, sistemi di back-up energia nei tagli fino a 1, 5, 12, 40 e 60 kW, accessori e componenti di ricambio.

Fig. 6 – Hydro2Planet propone celle a combustibile affiancate da pannelli fotovoltaici che servono a ricaricare l’idrogeno immagazzinandolo in cartucce o serbatoi

Konarka studia, sviluppa e produce materiali polimerici per celle fotovoltaiche utilizzando plastica flessibile molto adatta alla realizzazione di prodotti con versatilità applicativa indubbiamente interessante dal punto di vista commerciale. La PowerPlastic è ottenuta a basso costo dai polimeri organici e consente di fabbricare celle Organic PhotoVoltaics, OPV, capaci di un’efficienza superiore a quella delle convenzionali celle al silicio, ma caratterizzate da un prezzo più competitivo. Oltre al miglior rendimento il PowerPlastic ha anche altri vantaggi come la non tossicità, l’elevata sensibilità ai bassi livelli d’illuminazione e su un’ampia banda di frequenze, il coefficiente termico positivo che migliora l’efficienza al crescere della temperatura ambiente, la possibilità di essere stampato su strisce arrotolabili che possono essere avvolte attorno a supporti cilindrici o deposte nelle più svariate forme geometriche, l’abbondanza di materia prima in natura che ne semplifica la fabbricazione, la possibilità di essere colorato a piacere oppure diventare trasparente ed essere mimetizzato con opportunità d’uso limitate solo dalla fantasia dei progettisti. Konarka ha riunito questi vantaggi in alcune celle fotovoltaiche modulari che propone nei tagli di potenza da 1/2, 4, 8 e 30 W. Robusti, versatili e durevoli nel tempo, questi moduli OPV sono impiegabili in infinite varietà di configurazioni applicative a uso industriale, consumer, medicale,
trasporti e militare.

Fig. 7 – Le celle fotovoltaiche Konarka sfruttano polimeri organici di plastica flessibile che possono essere conformati nelle più svariate forme geometriche

NanoSurfaces è una spin-off del Politecnico di Milano nata per studiare e caratterizzare nuovi rivestimenti basati sul titanio e le sue leghe. Le tecnologie sviluppate nei suoi laboratori sfruttano le proprietà nanometriche delle particelle per realizzare rivestimenti superficiali con funzionalità osteointegrative, antibatteriche, antiusura, antigraffio, antinquinamento e autolubrificanti per il biomedicale, l’edilizia, l’aeronautica, la meccanica avanzata e l’arredamento. I suoi brevetti sono numerosi e hanno permesso la realizzazione di altrettante tecnologie fra cui le più recenti TiHard, TiColor, EcoTi e TiClean. Quest’ultimo è un trattamento superficiale in tecnologia sol-gel che consente di ottenere ossido di titanio nanostrutturato, ovvero una soluzione acquosa con nanocristalli di anatasio che può essere facilmente applicata su svariati substrati tramite spruzzatura, spalmatura o immersione. Grazie a ciò è possibile rivestire le superfici metalliche, polimeriche, ceramiche o dei tessuti caratterizzandole con proprietà fotocatalitiche, antibatteriche e/o superidrofiliche.

Fig. 8 – NanoSurfaces sfrutta le proprietà nanometriche del titanio e delle sue leghe per realizzare trattamenti superficiali per applicazioni specifiche

Tethis è un giovane laboratorio milanese specializzato nelle tecnologie per la realizzazione dei materiali nanocompositi e dei rivestimenti di nanoparticelle per superfici. I suoi esperti ricercatori hanno sviluppato in proprio alcune avanzate metodologie per la sintetizzazione delle nanopolveri. La Flame Spray Pyrolysis (FPS) e la Supersonic Cluster Beam Deposition (SCBD) consentono di ossidare le nanoparticelle e legarle stabilmente alle superfici di varia composizione, mentre la Pulsed Microplasma Cluster Source (PMCS) consente di depositare in ambiente vuoto e con estrema qualità in termini di purezza e definizione strati sottilissimi di particelle nanometriche di titanio, tungsteno, oro, acciaio, stagno, molibdeno, carbone e silicio. Su questi concetti hanno realizzato l’avanzato NanoPowder Synthesizer nps10 con il quale possono sintetizzare nanomateriali con composizione adatta agli usi più vari: sensori di gas e batteri, film sottili per la catalisi delle celle a combustibile, vernici fotocatalitiche per l’edilizia, elettrodi porosi per condensatori, nanotubi semiconduttori per celle fotovoltaiche.

Fig. 9 – Tethis ha messo a punto il NanoPowder Synthesizer col quale può sintetizzare nano polveri con composizione funzionalizzata per usi specifici
 



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