Fotovoltaico organico: un’opportunità per edilizia e agrivoltaico

Il fotovoltaico organico è una delle prospettive verso cui la ricerca guarda con interesse perché potrebbe fornire un contributo chiave per lo sviluppo più diffuso della produzione energetica da fonti rinnovabili. Conosciuto a livello mondiale come OPV (organic photovoltaic), è ancora per lo più relegato all’ambito sperimentale, ma le cose potrebbero cambiare presto.

È recente la notizia secondo cui, in Grecia, nascerà la prima fabbrica al mondo in grado di produrre il “fotovoltaico di terza generazione”. Sarà realizzata a Salonicco, come parte di un grande progetto europeo, denominato Flex2Energy, coordinato dalla Organic Electronics Technologies (OET) società fondata e presieduta da Stergios Logothetidis, fisico e docente presso la Aristotle University of Thessaloniki nonché fondatore e direttore del laboratorio universitario LTFN di nanotecnologia. Al progetto parteciperanno 14 partner internazionali, attivi nel settore della ricerca e nel ramo industriale (tra questi ultimi c’è la casa automobilistica Stellantis), e conterà su 21,2 milioni di euro di finanziamento.

Promette di realizzare moduli fotovoltaici flessibili, traslucidi e realizzati con stampanti 3D, che potranno essere installati su finestre, tetti, auto e persino capi di abbigliamento. Non solo: si vuole anche realizzare moduli per le serre.

Come riporta la testata greca Ekathlmerini, Logothetidis ha affermato che l’impianto sarà attivo per la fine del 2025 e in grado di produrre un milione di metri quadrati di fotovoltaico organico.

Il progetto greco è l’ultima testimonianza di interesse verso l’OPV, che potrebbe essere prezioso sia in edilizia sia in agricoltura: in quest’ultimo ambito potrebbero aprire prospettive interessanti nel settore agrivoltaico.

Intanto però le prime realizzazioni pratiche non mancano, a cominciare dalla Francia, dove è stato realizzato il tetto fotovoltaico organico più ampio al mondo.

Fotovoltaico organico: l’interesse, i vantaggi e i limiti attuali

La ricerca sul fotovoltaico organico ha registrato un boom tra il 2005 e il 2015, poi l’interesse è un po’ calato, in particolare in ambito industriale. La maggiore efficienza delle celle solari con perovskite, che può anche essere flessibile, ha contribuito a diminuire interesse. Ma l’attività scientifica è proseguita. Sono diversi i centri di ricerca che fanno attività di R&D su questo campo. I motivi per scommettere su questa tecnologia sono molti: innanzitutto la flessibilità e la leggerezza, la duttilità di impiego, la possibilità di realizzarli a temperatura ben più basse di quelle necessarie con quelle in silicio, connotandosi come una tecnologia a elevata sostenibilità.

A differenza delle celle solari cristalline tradizionali che utilizzano il silicio come assorbitore, quelle organiche utilizzano un polimero o una piccola cellula molecolare a base di carbonio ed elettronica organica. Ciò consente la creazione di una soluzione estremamente leggera, flessibile e sottilmente filmata. Con questa struttura del dispositivo, le celle fotovoltaiche organiche sono molto più durevoli e in grado di coprire un’area molto più grande rispetto alle celle solari tradizionali.

Le celle OPV hanno un basso costo di produzione. Con la struttura solubile delle molecole organiche, i produttori possono utilizzare una procedura di lavorazione roll-to-roll (R2R) che è meno costosa e più ecologica rispetto ad altri processi produttivi. La lavorazione R2R è il metodo utilizzato per applicare rivestimenti e stampare, partendo con un rotolo di materiale flessibile.

Infine il fotovoltaico organico può contare su un’abbondanza di materiali per realizzarli.

I limiti finora sono almeno due: l’efficienza di conversione di potenza e la durata di vita utile. Nel primo caso l’efficienza della cella degli OPV è sensibilmente inferiore a quella delle celle di silicio tradizionali. Queste ultime in genere raggiungono un’efficienza compresa tra il 20-25%. Le celle solari organiche possono raggiungere un margine tra il 12-14%. È vero: gli scienziati hanno fabbricato celle fotovoltaiche organiche ad alta efficienza che in condizioni controllate possono raggiungere il 18%. Tuttavia, questi risultati e livelli di energia devono ancora essere replicati in condizioni reali e comunque è inferiore alla tecnologia tradizionale al silicio.

Sulla durata ci si sta ancora lavorando per migliorare la loro resa.

Il tetto fotovoltaico organico più grande al mondo esiste già

Tuttavia il fotovoltaico integrato non è solo relegato al laboratorio. Lo comprova l’impianto BiOPV (Building Integrated Organic Photovoltaics) più grande del mondo completato in Francia già nel 2017 utilizzando la soluzione a film solare HeliaSol di Heliatek.

Nel porto sud-occidentale di La Rochelle, Francia, 500 metri quadri di film solari di Heliatek sono stati installati sul tetto della scuola media Pierre Mendes France con il partner di progetto Engie.

Con una parte posteriore autoadesiva e un cablaggio preconfigurato, HeliaSol è montato direttamente sulle superfici del tetto esistenti e deve essere collegato solo elettricamente. In sole otto ore un team di sei persone ha completato l’installazione Con una potenza installata di 22,5 kWp, genera circa 23,8 MWh di energia elettrica all’anno, sufficienti a soddisfare il 15% circa della domanda di energia elettrica della scuola.

OPV per l’agrivoltaico

Nel frattempo la ricerca lavora da tempo a migliorare questi limiti e delineare potenzialità d’impiego. Matteo Camporese, professore al dipartimento di ingegneria civile, edile e ambientale (Dicea) è arrivato a pensare alla luce solare sia una risorsa meritevole di essere gestita e calibrata, a seconda delle necessità.

In una ricerca pubblicata su Earth’s Future, lo scienziato mostra come la gestione della luce solare possa venire ottimizzata sia in favore dell’agricoltura, sia in favore della generazione di energia elettrica, grazie a uno sfruttamento più mirato di diverse lunghezze d’onda dello spettro di luce. Come riporta Camporese nello studio, il fotovoltaico organico offre opportunità uniche per “raccogliere” alcune parti dello spettro luminoso in entrata per generare energia e lasciare passare principalmente le parti dello spettro che sono più utili per le piante. Così sarà possibile filtrare la luce e separarla in spettro rosso e blu, in quanto occorrono pannelli fotovoltaici semitrasparenti e fotoselettivi, che possono venir montati 3 o 4 metri sopra le piante coltivate e non solo non toglierebbero luce al campo, ma addirittura ne migliorerebbero la resa.

Ecco, così evidenziata l’opportunità di abbinare il fotovoltaico organico all’agrivoltaico. Sulle potenzialità di sviluppo dei moduli OPV sta lavorando anche il professor Itaru Osaka, della giapponese Hiroshima University, coordinando un team di ricerca attivo sulla possibilità di produrre celle fotovoltaiche organiche a base di carbonio. In particolare sta lavorando sulla possibilità di realizzarli con materie plastiche. Finora, il team di Osaka ha raggiunto il 16-17% di efficienza con i loro OPV a base di polimeri coniugati π. La più alta efficienza raggiunta da qualsiasi laboratorio è di circa il 18%, dice Osaka. Gli OPV coniugati a base polimerica sono promettenti, anche se ci vorranno almeno 5 anni per portarli alla commercializzazione, stima Osaka in un articolo su Nature.

Degna di grande interesse è la ricerca presentata a fine 2022 e condotta da un gruppo di ricercatori del Massachusetts Institute of Technology che ha sviluppato celle solari in tessuto ultraleggero che possono trasformare rapidamente e facilmente qualsiasi superficie in una fonte di energia.

L’attività di ricerca italiana sul fotovoltaico organico

A livello di ricerca, in Italia ci sono diverse università e istituti di ricerca che si occupano di fotovoltaico organico. Tra queste segnaliamo, a esempio, Glass to Power, spin-off dell’Università degli Studi di Milano Bicocca che ha messo a punto la prima finestra fotovoltaica isolante trasparente. Sulla tecnologia OPV ci sta lavorando anche il Politecnico di Milano con SolarTechLab, portando avanti la sperimentazione.

Degna di nota è l’attività svolta presso il Centro R&D Energie Rinnovabili e Ambientali di ENI, in collaborazione con il CNR e numerose università in Italia, il Centro Ricerche Tecniche della Finlandia e il prestigioso MIT di Boston. Qui si conduce la ricerca sul fotovoltaico organico, impiegando polimeri e altri componenti organici come materiali fotoattivi per la realizzazione di un film plastico molto sottile stampabile come la carta da giornale. Una prima applicazione pratica è in fase di progettazione in Val d’Agri, nell’ambito del programma Energy Valley, dove i pannelli OPV alimenteranno una serra per colture orticole e una centralina agrometeorologica digitale.

La stessa ENI è partner del progetto europeo BOOSTER (finanziato con quasi 8,2 milioni di euro dall’UE) che prevede l’utilizzo di pellicole fotovoltaiche organiche sugli edifici. Il progetto porterà la tecnologia del fotovoltaico organico al livello di maturità tecnologica (TIER) 7, aumentando l’efficienza e la durata dei moduli e ottimizzando al contempo i costi di produzione.

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