Fotovoltaico innovativo: le celle solari plasmoniche italiane modellano il futuro

Sfruttare le possibilità aperte dal fotovoltaico per ampliare ancor più le sue potenzialità applicative è una priorità su cui lavora la ricerca a livello globale. Sfruttare nuove tecnologie per ampliare le capacità di conversione e di sfruttarle anche in condizioni di luce non ottimali è uno degli ambiti in cui lavora la ricerca italiana.

Uno dei risultati più interessanti e recenti, a proposito di fotovoltaico innovativo, è quello che ha per oggetto le celle solari plasmoniche e i risultati della ricerca condotta da un team di ricercatori della Sapienza. Tale ricerca, svolta in collaborazione con l’Istituto di Cristallografia del CNR e BEAM Engineering for Advanced Measurements (USA), ha consentito la realizzazione di celle solari efficienti ed ecosostenibili meno costose, alternative a quelle tradizionali in materiali di silicio.

Lo studio delle celle solari plasmoniche

Il coordinatore dello studio, il professor Luciano De Sio*, ha spiegato in una nota per la Sapienza – Università di Roma che il sistema fotovoltaico messo a punto, dal team di scienziati, “sfrutta eterostrutture ibride a base di nanoparticelle d’oro e d’argento come agenti fotosensibilizzanti. La loro peculiare geometria e la combinazione dei metalli favoriscono un eccellente assorbimento della luce solare nel visibile e nel vicino infrarosso”.

Il lavoro di ricerca è stato ispirato dalle Dye Sensitized Solar Cells, che usano coloranti per migliorare la resa e catturare meglio la luce.

Tuttavia questi materiali hanno un degrado sensibile delle prestazioni. «Per questo siamo partiti con l’idea di provare a sostituire il colorante organico con uno inorganico. Dato che il mio gruppo lavora molto nel campo della plasmonica, in modo particolare nel campo dei nanomateriali, abbiamo deciso di provare a sfruttare le proprietà di nanomateriali “ibridi”, ovvero realizzati mediante una combinazione di più metalli nobili, le cosiddette eterostrutrutture, nanomateriali binari composti d’oro e d’argento».

Il lavoro del team di ricerca

Combinando le proprietà ottiche di questi due nanomateriali, il team di ricerca è riuscito a ottenere un assorbimento nell’intero spettro del visibile e anche in una piccola parte dell’infrarosso.

«Queste eterostrutture plasmoniche composte da cubetti di argento, circondati da particelle d’oro anisotrope possiedono proprietà di assorbimento a largo spettro. Inoltre, possiedono vantaggi propri dei materiali inorganici: stabilità, elevata efficienza di assorbimento, ottime proprietà di conversione di luce a calore», racconta De Sio.

Queste strutture, realizzate alternando strati di materiali che hanno diverse proprietà elettroniche, con spessori di pochi nanometri, evidenziano un problema: la difficoltà di deposizione su grande scala, spaziando da centimetri quadrati fino ai metri quadrati, per realizzare un impianto.

«Negli ultimi anni il mio gruppo di ricerca ha sviluppato una tecnica di deposizione low-cost che sfrutta l’auto-organizzazione delle nanoparticelle. Mediante un semplice processo di immersione water-based riusciamo a depositare i nanomateriali su larga scala; successivamente sfruttiamo la capacità di auto-assemblaggio delle nanoparticelle sulla superficie. Tutto questo viene comandato da una interazione elettrostatica. Così riusciamo a variare la carica superficiale cosicché possa accogliere sulla superficie un certo numero di nanoparticelle, massimizzando l’efficienza di ricopertura, senza però inficiare e limitare le proprietà delle nanoparticelle plasmoniche».

Sfruttare le proprietà delle nanoparticelle plasmoniche

La tecnica sviluppata dal gruppo coordinato da De Sio, sfrutta la capacità di autorganizzazione più la possibilità di una deposizione controllata di natura elettrostatica permette di ricoprire le superfici senza nessun limite dimensionale, facendo però in modo che le nanoparticelle continuano a mantenere le loro caratteristiche inalterate.

«Le nanoparticelle depositate sulla superficie, pur con densità molto elevate, riescono a lavorare in sinergia. Questa è la tecnica che abbiamo sfruttato. Tuttavia, per combinarla con la realizzazione della cella solare c’è bisogno di un semiconduttore: nel nostro caso abbiamo utilizzato una sostanza ampiamente usata come il biossido di titanio».

La combinazione di semiconduttori nanostrutturati “low cost” con assorbitori a nanoparticelle plasmoniche, composte da nanostrutture ibride di argento e oro, hanno consentito a De Sio e agli scienziati del team di realizzare una cella solare capace di interagire molto bene con la parte visibile della radiazione elettromagnetica.

«Le efficienze allo stato attuale sono tutt’altro che elevate. Stiamo parlando di efficienze di fotoconversione dell’1%, assolutamente imparagonabili con le tecnologie oggi in commercio. C’è però un elemento di interesse: l’efficienza così bassa è ottenuta con un layer attivo spesso pochi nanometri. Quindi, queste nanostrutture garantiscono 1%. Che succede se invece di un layer ne aggiungiamo altri? Abbiamo scoperto che l’efficienza cresce in modo esponenziale».

Finalità della ricerca: giungere a un’efficienza record

L’équipe di ricerca dell’ateneo romano sta lavorando allo sviluppo del progetto, potendo contare sul supporto dell’Air Force Office of Scientific Research degli Stati Uniti e del programma Science for Peace and Security della NATO. L’obiettivo di entrambi gli enti è promuovere le idee scientifiche e tecnologiche più innovative a livello mondiale, capaci di migliorare la sicurezza, la salute e la qualità della vita attraverso soluzioni ad alto impatto e fortemente interdisciplinari.

La finalità del team di ricerca è arrivare a far sì che quell’1% si possa elevare fino a raggiungere un’efficienza anche del 40-50%, contando su una tecnologia che non richiede nessun processo di nanofabbricazione, sfruttando l’auto organizzazione delle nanoparticelle.

Inoltre intende lavorare a ridurre i limiti e raccogliere la parte dell’infrarosso dell’area di elettromagnetica solare a oggi non ancora possibile. Le ipotesi al vaglio vedono anche la possibilità di una combinazione tecnologica, ragionando su una configurazione tandem. «Un’alternativa è di sfruttare nanomateriali ancora più esotici a oggi non ancora studiati, per esempio particelle di rame che hanno degli assorbimenti anche nel vicino infrarosso».

I vantaggi delle celle solari plasmoniche

I potenziali pregi offerti dalle celle solari plasmoniche sono diversi, a partire dall’aspetto economico: «la tecnologia messa a punto ha costi molto bassi e non ha limiti di scalabilità: dato che è un processo immersivo, è sufficiente lavorare su un substrato più grande, lasciarlo immerso per un certo numero di ore affinché la superficie di ricopertura possa essere massimizzata. Inoltre, si può lavorare in modo efficiente con tutta la parte del visibile e anche con una piccola parte dell’infrarosso. Questa tecnologia, in realtà è nata come una soluzione per interagire bene anche con la luce bianca».

Quest’ultima proprietà si rivela assai preziosa nel caso in cui si operi all’interno di una struttura priva di luce solare. In caso di blackout, contare sulla possibilità di convertire luci artificiali in energia elettrica diventa un elemento di fondamentale importanza, specie in contesti estremi.

Il futuro del fotovoltaico innovativo passa da qui

C’è poi un ulteriore vantaggio prospettico delle celle solari plasmoniche: «è possibile contare su efficienze molto più elevate rispetto a quelle del silicio, giunta oramai al limite di conversione. Inoltre è possibile beneficiare di costi di manutenzione decisamente più bassi», specifica De Sio.

È il motivo per cui sia le peroskiti e le tecnologie che sfruttano la plasmonica sono considerate le tecnologie emergenti del fotovoltaico innovativo, utilizzabili in modo indipendente o in combinazione con celle di silicio.

«Un’altra caratteristica premiante delle tecnologie plasmoniche è la loro capacità di sfruttare una zona ben determinata dello spettro elettromagnetico, chiamato zona della risonanza. Il nostro lavoro è di porre in cascata più risonanze tra di loro, combinando quindi nanomateriali di diversa natura e geometria, affinché questo effetto possa essere amplificato».

*Luciano De Sio è professore associato presso l’Università degli Studi di Roma “La Sapienza” in Italia. Guida un team di ricerca impegnato nei settori della biotecnologia, dei cristalli liquidi, della nanotecnologia, dell’ottica e della biofotonica. De Sio ha trascorso più di cinque anni negli Stati Uniti in qualità di ricercatore senior presso la Beam Engineering for Advanced Measurements Company a Orlando, Florida, dove ha collaborato con numerose agenzie scientifiche.

FAQ celle solari plasmoniche

Cosa sono le celle solari plasmoniche?

Le celle solari plasmoniche sono una tecnologia fotovoltaica che sfrutta le proprietà di nanoparticelle di metalli come oro e argento per convertire la luce solare in energia. L’efficienza è migliorata grazie a un fenomeno fisico chiamato risonanza plasmonica, che amplifica la capacità delle particelle metalliche di catturare la luce, sia nel visibile che nel vicino infrarosso.

Le celle fotovoltaiche sensibilizzate da plasmoni, messe a punto dal team coordinato dal Luciano De Sio, sono fabbricate integrando un’eterostruttura ibrida costituita da nanocubi d’argento circondati da nanobastoncini d’oro, che agiscono come agenti sensibilizzanti a banda larga. Queste nanostrutture sono depositate con precisione su un controelettrodo in ossido di indio e stagno rivestito di biossido di titanio, consentendo un’efficiente raccolta della luce e prestazioni fotovoltaiche migliorate.

A proposito di fotovoltaico innovativo, quali sono le tecnologie allo studio?

Sono diversi i filoni di ricerca su tecnologie fotovoltaiche emergenti. Tra queste, vanno segnalate: le celle solari a perovskite e le celle tandem in perovskite; le DSSC (Dye-sensitized solar cells); le celle organiche, le celle in kesterite (CZTSSe); le celle solari a punti quantici. La loro evoluzione in termini di efficienza viene aggiornata costantemente dal NREL.

A oggi, quanto contribuisce il fotovoltaico nella produzione di energia elettrica?

Nel secondo trimestre del 2025, il 54% dell’elettricità netta prodotta nell’UE proveniva da fonti energetiche rinnovabili, in aumento rispetto al 52,7% registrato nello stesso trimestre del 2024. Tale aumento è dovuto principalmente al fotovoltaico, che ha generato un totale di 122.317 GWh nel periodo considerato, pari a quasi un quinto del mix totale di generazione di elettricità.

Come segnala Eurostat, giugno 2025 è stato il primo mese nella storia in cui l’energia solare (22,0%) è stata la principale fonte di elettricità generata nell’UE, davanti al nucleare (21,6%), all’eolico (15,8%), all’idroelettrico (14,1%) e al gas naturale (13,8%). A livello globale, si prevede un ulteriore crescita del solare fotovoltaico. Rappresenterà circa l’80% dell’aumento globale della capacità di energia rinnovabile nei prossimi cinque anni, trainato dai bassi costi e dai tempi di autorizzazione più rapidi, seguito da eolico, idroelettrico, bioenergia e geotermico (Fonte: IEA, 2025).

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