Sul banco di laboratorio ci sono due risultati distinti. Una cella solare semitrasparente ha convertito in elettricità il 22,41% dell’energia luminosa ricevuta da una lampada LED da 1.000 lux. Un modulo più grande, largo 30 centimetri e alto altrettanto, ha raggiunto invece un’efficienza dell’8,2% sotto luce solare simulata. Attraverso il dispositivo si riesce ancora a vedere, anche se passa appena il 31,1% della luce visibile.
La tecnologia è stata sviluppata da un gruppo internazionale guidato dall’University College London e descritta in uno studio pubblicato su Advanced Energy Materials. L’obiettivo è usare superfici già presenti negli edifici – finestre, facciate e lucernari – per raccogliere energia dal Sole e dall’illuminazione degli ambienti. La finestra pronta da ordinare, però, ancora non c’è.
Una pellicola attiva spessa 185 nanometri
Il materiale che assorbe la luce è una perovskite a base di piombo, iodio e bromo. I ricercatori l’hanno stesa in uno strato di circa 185 nanometri: tre o quattro volte più sottile rispetto a quello impiegato normalmente in dispositivi simili e circa 500 volte meno spesso di un capello umano.
Assottigliare la parte attiva permette alla luce di attraversarla, però riduce anche la quantità di energia raccolta e rende più evidenti i difetti del materiale. Gli elettroni possono rimanere intrappolati prima di essere sfruttati, con una perdita di efficienza e una degradazione più rapida della cella.
Per limitare questo problema il gruppo ha aggiunto una molecola chiamata 3-trifluorometil-1H-1,2,4-triazolo. Il composto ha migliorato la struttura cristallina della perovskite, ridotto le cosiddette “trappole” e rallentato la migrazione degli alogenuri all’interno del materiale.
Anche l’elettrodo superiore è stato ripensato. Al posto di una superficie d’oro opaca, i ricercatori hanno inserito uno strato d’oro spesso appena otto nanometri fra due sottili strati di ossido di molibdeno. Il risultato lascia passare il 59,9% della luce che raggiunge il solo elettrodo, continuando a raccogliere la corrente prodotta dalla cella.
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Il 22% vale per la piccola cella, il modulo grande arriva all’8,2%
I numeri richiedono un po’ di ordine. La migliore cella di laboratorio ha raggiunto un’efficienza del 13,78% sotto il Sole simulato, mantenendo una trasmissione media della luce visibile del 31,1%. Sotto una lampada LED da 1.000 lux – un ambiente interno piuttosto luminoso – l’efficienza è salita al 22,41%.
La percentuale più alta dipende anche dal fatto che lo spettro della perovskite è stato regolato per rispondere bene alle lunghezze d’onda delle lampade. Riguarda però la cella di dimensioni ridotte. Il modulo da 30 per 30 centimetri, presentato dagli autori come il primo dispositivo semitrasparente di questa scala, ha prodotto l’8,2% sotto illuminazione solare standard e il 7,4% con un’intensità pari a un quinto del Sole.
Il pannello grande, quindi, non ha raggiunto il 22% riportato nella prova al chiuso. Mettere tutte le percentuali nello stesso vetro rischia di far sembrare il prototipo parecchio più vicino al davanzale di quanto sia.
La luce interna può alimentare sensori, senza moltiplicare l’energia
Raccogliere energia dalle lampade può essere utile per alimentare sensori, dispositivi connessi e piccoli apparecchi elettronici negli edifici. Qui la luce è già accesa e una cella può recuperare una parte dell’energia presente nell’ambiente, riducendo batterie e collegamenti elettrici.
Questo funzionamento non trasforma una stanza illuminata in una fonte gratuita di elettricità. La lampada ha già consumato energia per produrre quella luce e il pannello ne recupera soltanto una frazione. Accenderla apposta per caricare la finestra sarebbe un giro dell’oca energetico, con diverse perdite lungo il percorso. Lo stesso studio indica infatti l’elettronica a basso consumo e i sistemi dell’Internet delle cose come applicazioni principali del fotovoltaico indoor.
Una finestra ancora piuttosto scura
Il compromesso più visibile è scritto nella trasparenza. Il dispositivo lascia passare il 31,1% della luce visibile, mentre un vetro ordinario può superare l’80 o il 90%. Siamo più vicini a una superficie fortemente oscurata che alla finestra limpida di una cucina.
Secondo Siming Huang, primo autore dello studio, questa caratteristica potrebbe aiutare a ridurre il calore solare che entra negli edifici e, nei climi caldi, una parte dei consumi per il condizionamento. La minore disponibilità di luce naturale può però modificare l’illuminazione degli interni: il bilancio energetico andrà verificato su edifici reali, orientamenti e condizioni climatiche differenti. Il lavoro attuale riguarda celle e moduli testati in laboratorio, senza una sperimentazione completa su una facciata.
Rimane poi la durata. Le celle prive di incapsulamento hanno conservato il 79,6% dell’efficienza iniziale dopo 268 ore di esposizione continua alla luce, poco più di undici giorni. È un risultato utile per confrontare i materiali; una finestra deve affrontare anni di umidità, caldo, freddo, urti e variazioni di temperatura.
Il gruppo vuole ora produrre moduli più grandi e versioni flessibili da applicare su vetri curvi, automobili e altre superfici. Sul banco c’è una tecnologia interessante, sottile e finalmente scalata fino a 30 centimetri. In cantiere, per ora, non c’è ancora nulla da montare.
Fonte: Advanced Energy Materials – UCL