Celle solari organiche ultrasottili potrebbero trasformare gli edifici in generatori di energia

Nel novembre 2021, mentre l’azienda municipale di Marburg, in Germania, stava eseguendo la manutenzione programmata su un impianto di stoccaggio dell’acqua calda, gli ingegneri hanno incollato 18 pannelli solari all’esterno del serbatoio cilindrico principale alto 10 metri. Non è la tipica casa dei pannelli solari, la maggior parte dei quali sono rettangoli piatti e rigidi in silicio e vetro disposti sui tetti o nei parchi solari. I pannelli dell'impianto di Marburg, al contrario, sono pellicole organiche ultrasottili prodotte da Heliatek, un'azienda solare tedesca. Negli ultimi anni Heliatek ha montato i suoi pannelli flessibili sui lati delle torri di uffici, sui tetti curvi delle fermate degli autobus e persino sull’albero cilindrico di un mulino a vento alto 80 metri. L'obiettivo: espandere la portata dell'energia solare oltre i terreni pianeggianti. "Esiste un mercato enorme in cui il fotovoltaico classico non funziona", afferma Jan Birnstock, responsabile tecnico della Heliatek.

I pannelli fotovoltaici organici (OPV) come quelli di Heliatek sono più di 10 volte più leggeri dei pannelli in silicio e in alcuni casi costano solo la metà di produzione. Alcuni sono addirittura trasparenti, il che porta gli architetti a immaginare i pannelli solari non solo sui tetti, ma incorporati nelle facciate degli edifici, nelle finestre e persino negli spazi interni. "Vogliamo trasformare ogni edificio in un edificio che genera elettricità", afferma Birnstock.

I pannelli Heliatek sono tra i pochi OPV di uso pratico e convertono circa il 9% dell'energia solare in elettricità. Ma negli ultimi anni, i ricercatori di tutto il mondo hanno ideato nuovi materiali e progetti che, in piccoli prototipi realizzati in laboratorio, hanno raggiunto efficienze di quasi il 20%, avvicinandosi al silicio e alle celle solari inorganiche a film sottile alternative, come quelle realizzate da un miscela di rame, indio, gallio e selenio (CIGS). A differenza dei cristalli di silicio e dei CIGS, dove i ricercatori sono per lo più limitati alle poche opzioni chimiche offerte loro dalla natura, gli OPV consentono loro di modificare i legami, riorganizzare gli atomi e mescolare elementi provenienti da tutta la tavola periodica. Questi cambiamenti rappresentano manopole che i chimici possono regolare per migliorare la capacità dei loro materiali di assorbire la luce solare, condurre cariche e resistere al degrado. Gli OPV non sono ancora all’altezza di tali misure. Ma "c'è un enorme spazio bianco da esplorare", afferma Stephen Forrest, chimico OPV presso l'Università del Michigan, Ann Arbor.

Anche quando gli OPV realizzati in laboratorio sembrano promettenti, ridimensionarli per creare pannelli a grandezza naturale rimane una sfida, ma il potenziale è enorme. "Questo è un momento davvero entusiasmante per gli OPV perché il campo ha fatto enormi passi avanti in termini di prestazioni, stabilità e costi", afferma Bryon Larson, un esperto di OPV presso il National Renewable Energy Laboratory.

L’ENERGIA SOLARE CONVENZIONALE, basata principalmente sul silicio, è già un successo nel campo dell’energia verde, poiché fornisce circa il 3% di tutta l’elettricità del pianeta. È la più grande nuova fonte di energia aggiunta alla rete, con oltre 200 gigawatt messi in rete ogni anno, sufficienti ad alimentare 150 milioni di case. Supportato da decenni di miglioramenti ingegneristici e da una catena di fornitura globale, il suo prezzo continua a scendere.

Ma il solare e le altre fonti di energia verde non stanno crescendo abbastanza velocemente da soddisfare la crescente domanda e prevenire cambiamenti climatici catastrofici. Tra l’avanzamento dello sviluppo economico globale, la crescita della popolazione e il previsto passaggio di gran parte delle auto e dei camion mondiali dal petrolio all’elettricità, si prevede che la domanda mondiale di elettricità raddoppierà entro il 2050. Secondo le ultime stime dell’Agenzia internazionale per l’energia, Per raggiungere l’obiettivo globale di zero emissioni nette di carbonio entro il 2050, i paesi devono installare energie rinnovabili a un ritmo quattro volte superiore a quello attuale, una sfida che l’agenzia definisce “formidabile”. Il mondo ha bisogno di nuove fonti di energia rinnovabile, e in fretta.

I sostenitori di OPV non vedono la tecnologia sostituire i tradizionali pannelli in silicio per la maggior parte degli usi. Piuttosto, ritengono che ciò contribuirà a inaugurare un’ondata di nuove applicazioni e, in definitiva, a mettere l’energia solare in luoghi in cui i pannelli di silicio non funzioneranno. Il settore ha avuto inizio nel 1986, quando gli esperti di pellicole plastiche della Eastman Kodak Company hanno prodotto il primo OPV, che era efficiente solo all’1% nel convertire l’energia solare in elettricità. Ma all’inizio degli anni 2000, armeggiare con le manopole chimiche aveva spinto l’efficienza degli OPV fino a circa il 5%, abbastanza da consentire a diverse aziende di provare a commercializzarli. La loro speranza era che la stampa di pannelli su macchine roll-to-roll, come le macchine da stampa per giornali, avrebbe reso i dispositivi abbastanza economici da essere utili nonostante i loro difetti. Ma la scarsa efficienza e il degrado dovuto alla luce solare incessante hanno condannato i primi modelli. "L'eccitazione c'era, ma era un po' troppo presto", dice Larson.