Pubblicato il: 8 marzo 2025 / Aggiornato il: 8 marzo 2025 – Autore: Konrad Wolfenstein
Celle solari in perovskite: il potenziale del fotovoltaico trasparente per edifici moderni e progetti fotovoltaici – Immagine: Xpert.Digital
Transizione energetica trasparente: produzione di elettricità attraverso l'innovativa tecnologia delle finestre
Celle solari in perovskite: i futuri produttori di finestre intelligenti
Lo sviluppo di celle solari trasparenti e ad alta efficienza apre nuove prospettive per l'integrazione del fotovoltaico negli edifici. Le celle solari in perovskite, in particolare, si sono affermate negli ultimi anni come promettenti candidate per questa applicazione. Con efficienze fino al 31,6%, la possibilità di design trasparenti e una produzione economicamente vantaggiosa, potrebbero rivoluzionare l'uso dell'energia solare. Le ricerche attuali dimostrano che la stabilità di queste celle, in precedenza problematica, è stata notevolmente migliorata. Applicazioni come le finestre intelligenti, che non solo generano elettricità ma possono anche adattare la loro trasparenza alle condizioni ambientali, sono particolarmente promettenti.
Adatto a:
Fondamenti della tecnologia solare perovskite
Le celle solari a perovskite rappresentano uno sviluppo relativamente nuovo nel fotovoltaico, con una ricerca intensiva iniziata solo nel 2009. Devono il loro nome al minerale perovskite, di cui presentano la caratteristica struttura cristallina. Queste celle solari si basano sulle cosiddette perovskiti ad alogenuri, un materiale ibrido composto da componenti organici caricati positivamente come i cationi di metilammonio e sali metallici inorganici come lo ioduro di piombo. La loro composizione e struttura uniche differiscono fondamentalmente dalle tradizionali celle solari al silicio, rendendole un candidato promettente per il futuro dell'energia solare.
La funzionalità delle celle solari a perovskite si basa sulla loro eccellente capacità di convertire la luce solare in energia elettrica. Gli scienziati del Centro di Ricerca di Jülich hanno scoperto, attraverso nuove misurazioni di fotoluminescenza, che i portatori di carica liberi nelle celle solari a perovskite sono probabilmente eccezionalmente ben protetti dal decadimento, il che potrebbe essere una delle ragioni principali della loro elevata efficienza. La durata di vita dei portatori di carica eccitati nel materiale è un fattore cruciale per l'efficienza di queste celle solari, poiché determina per quanto tempo gli elettroni rilasciati dalla luce rimangono disponibili e possono contribuire alla generazione di energia.
Negli ultimi anni, lo sviluppo tecnologico di queste celle solari ha compiuto progressi impressionanti. Mentre le prime celle solari a perovskite avevano un'efficienza modesta, pari solo al 4%, i modelli più recenti raggiungono regolarmente efficienze superiori al 20%. Il Fraunhofer Institute ha addirittura raggiunto un valore record del 31,6%, mentre l'azienda tedesca Qcells ha raggiunto un'efficienza del 28,6%.
Vantaggi delle celle solari in perovskite trasparente
La caratteristica più rilevante delle celle solari a perovskite rispetto ai moduli in silicio convenzionali è la loro potenziale trasparenza combinata con un'elevata efficienza. Questa proprietà apre possibilità applicative completamente nuove, in particolare nel campo del fotovoltaico integrato negli edifici. Le celle solari trasparenti o semitrasparenti possono essere integrate nelle superfici delle finestre, consentendo agli edifici non solo di far entrare la luce, ma anche di generare elettricità simultaneamente.
Il grado di trasparenza può essere regolato durante il processo di produzione in base alle esigenze, sebbene sia opportuno notare che l'efficienza di conversione energetica diminuisce con l'aumentare della trasparenza. L'efficienza di conversione più elevata misurata per le versioni trasparenti è attualmente pari a un notevole 17,9%. Il progetto di ricerca IMPRESSIVE ha dimostrato che una combinazione di tecnologie può convertire l'energia solare con un'efficienza del 14% con una trasmittanza luminosa media superiore al 55%. Le celle perovskite UV semitrasparenti raggiungono addirittura un'efficienza superiore al 10% con una trasmittanza luminosa di circa il 60%.
Oltre alla trasparenza, le celle solari a perovskite offrono altri notevoli vantaggi. Sono relativamente economiche e facili da produrre, simili ai moduli solari a film sottile. La produzione richiede un dispendio energetico significativamente inferiore rispetto al silicio, poiché le perovskiti possono essere prodotte utilizzando processi semplici e scalabili come la stampa roll-to-roll. Inoltre, le materie prime necessarie sono generalmente facilmente reperibili, il che mantiene bassi i costi dei materiali.
Un altro vantaggio cruciale è la leggerezza e la flessibilità delle celle solari a perovskite. Possono essere applicate come strati ultrasottili su vari substrati, ampliando significativamente le loro possibilità applicative. Questa proprietà consente applicazioni innovative in dispositivi portatili, veicoli o soluzioni fotovoltaiche integrate negli edifici, come finestre solari o moduli per facciate.
Applicazioni innovative nell'integrazione edilizia
La capacità di rendere trasparenti le celle solari in perovskite le rende particolarmente interessanti per il fotovoltaico integrato negli edifici (BIPV), dove le celle solari sostituiscono i materiali da costruzione tradizionali come le finestre. L'inserimento della perovskite tra i vetri consente alle celle solari di fungere da vera e propria facciata e parete di un edificio, generando contemporaneamente elettricità per l'uso in loco o per l'immissione in rete.
Panasonic Holdings ha presentato un esempio concreto di questa applicazione innovativa, presentando balaustre in vetro semitrasparente con celle solari in perovskite sul balcone di una casa modello a sud di Tokyo. Questi prototipi dimostrano il potenziale di integrazione della tecnologia a perovskite in elementi costruttivi di uso quotidiano. I fisici di Lipsia hanno anche sviluppato una cella solare trasparente che può essere depositata tramite deposizione di vapore direttamente su un vetro, trasformando potenzialmente intere facciate in centrali elettriche.
Gli sviluppi nel campo delle finestre termocromiche o "intelligenti" sono particolarmente promettenti. Gli scienziati dell'Università della California, Berkeley, hanno sviluppato un'estensione funzionale per una finestra fotovoltaica che cambia colore e trasparenza al variare della temperatura e può generare elettricità quando viene oscurata. Il passaggio reversibile a una finestra solare colorata si basa su un cambiamento di fase di strati di perovskite ultrasottili.
Allo stato trasparente, i cristalli di perovskite presentano una struttura cubica e sono ampiamente trasparenti, mentre a una temperatura di circa 105 °C passano a una struttura cristallina meno trasparente, ma fotovoltaicamente attiva. Questa struttura blocca circa due terzi della luce visibile e raggiunge un'efficienza del sette percento. Raffreddati a temperatura ambiente ed esposti a una certa umidità, questo cambiamento di fase può essere invertito e la finestra torna trasparente.
Adatto a:
Proprietà termocromiche per edifici climaticamente ottimizzati
Le proprietà termocromiche delle finestre a base di perovskite potrebbero contribuire in modo significativo all'efficienza energetica degli edifici. Simili agli occhiali da sole fotocromatici, queste finestre possono cambiare colore in risposta alle variazioni di temperatura, dove la temperatura, a differenza dell'intensità luminosa degli occhiali da sole, è il fattore determinante. Con l'aumentare della temperatura, il vetro trasparente diventa gradualmente giallo, arancione, rosso o marrone. Più caldo fa, più scuro diventa il vetro, raffreddando così la stanza automaticamente e senza bisogno di aria condizionata.
Questo meccanismo può contribuire significativamente a ridurre il consumo energetico per il riscaldamento e il raffrescamento. Considerando che il riscaldamento e la produzione di acqua calda sanitaria sono responsabili del 25% delle emissioni di CO2 in Austria e che uno studio dell'Università di Birmingham prevede che il numero di dispositivi di raffrescamento in tutto il mondo quadruplicherà, raggiungendo i 14 miliardi entro il 2050, queste soluzioni per finestre intelligenti potrebbero dare un contributo significativo alla protezione del clima.
Sfide e soluzioni
Nonostante le loro proprietà promettenti, le celle solari in perovskite devono affrontare diverse sfide che ne hanno finora limitato l'ampia applicazione commerciale. Un problema importante è la loro stabilità in condizioni ambientali reali. I cristalli di perovskite tendono a crescere in modo disordinato e difettoso, il che può portare a problemi di stabilità. Non raggiungono ancora la longevità delle celle solari in silicio e sono sensibili a umidità, luce e calore. Uno svantaggio significativo è la loro minore resistenza agli agenti atmosferici, poiché il materiale può degradarsi in condizioni meteorologiche estreme.
Tuttavia, la ricerca ha già compiuto progressi significativi nel superare queste sfide. Panasonic, ad esempio, è riuscita a produrre una variante chimicamente più stabile del materiale e a proteggerla dagli agenti atmosferici attraverso l'uso di doppi vetri. L'istituto di ricerca belga Imec, partner del consorzio di ricerca EnergyVille, ha raggiunto una svolta nella ricerca sui moduli solari in perovskite . In uno studio biennale all'aperto a Cipro, è stata dimostrata la stabilità a lungo termine dei moduli in mini-perovskite, che hanno raggiunto un'impressionante efficienza energetica del 78% dopo un anno all'aperto, un valore che gli attuali moduli solari in perovskite possono spesso mantenere solo per poche settimane.
Sono stati compiuti progressi anche nel campo del riciclo. Ricercatori svedesi hanno sviluppato un metodo per il riciclo completo ed ecologico delle celle solari a perovskite. Invece di utilizzare la tossica dimetilformammide per smantellare le celle, come si faceva in precedenza, il team utilizza l'acqua come solvente per scomporre le perovskiti decomposte. Tutti i componenti possono quindi essere riutilizzati in una nuova cella solare a perovskite senza comprometterne le prestazioni: la cella solare riciclata ha la stessa efficienza dell'originale.
Permangono sfide specifiche per le finestre solari termocromiche. La temperatura di cambiamento di fase relativamente elevata, di poco superiore ai 100 °C, dovrebbe essere ulteriormente ridotta per applicazioni pratiche. Inoltre, l'umidità necessaria per la commutazione reversibile potrebbe compromettere la stabilità a lungo termine degli strati di perovskite. Tuttavia, poiché la composizione dei materiali perovskiti può variare notevolmente, ulteriori studi potrebbero identificare miscele di materiali prive di questi inconvenienti e quindi aumentare ulteriormente l'efficienza.
Potenziale di mercato e prospettive future
La combinazione di flessibilità, vantaggi in termini di costi ed efficienza eccezionale rende le celle solari a perovskite una tecnologia promettente per la transizione energetica. I ricercatori di mercato di IDTechEx prevedono che il mercato fotovoltaico a perovskite raggiungerà un volume di vendite annuo di quasi 12 miliardi di dollari entro il 2035. Questa tecnologia potrebbe sostituire i moduli a base di silicio come tecnologia fotovoltaica dominante in futuro.
La combinazione di perovskite e silicio in celle tandem appare particolarmente promettente, consentendo di raggiungere efficienze fino al 43%, un miglioramento significativo rispetto ai moduli in silicio puro. I materiali in perovskite possono essere specificamente progettati per sfruttare in modo efficiente diverse lunghezze d'onda della luce solare: mentre la perovskite assorbe meglio la luce a lunghezza d'onda corta (blu), il silicio eccelle nella gamma delle lunghezze d'onda lunghe (rosso).
Le celle solari trasparenti in perovskite aprono prospettive completamente nuove per il fotovoltaico integrato negli edifici. Per sostituire il più rapidamente possibile le finestre passive con finestre in grado di generare energia, i ricercatori stanno lavorando per ottimizzare le prestazioni di queste tecnologie e accelerare la commercializzazione delle celle fotovoltaiche trasparenti. Se si riusciranno a superare le restanti sfide in termini di stabilità e durabilità, le finestre solari in perovskite potrebbero dare un contributo significativo alla generazione di energia decentralizzata nelle aree urbane nel prossimo futuro.
Transizione energetica urbana: finestre che generano energia con tecnologia perovskite
Le celle solari in perovskite, in particolare le versioni trasparenti per applicazioni su finestre , rappresentano una tecnologia promettente per il futuro del fotovoltaico. Grazie alla combinazione di elevata efficienza, trasparenza, bassi costi di produzione e flessibilità, offrono vantaggi significativi rispetto alle celle solari al silicio convenzionali. La capacità di trasformare facciate e finestre di edifici in generatori di energia senza comprometterne la funzione primaria potrebbe dare un contributo cruciale alla transizione energetica nelle aree urbane.
I recenti progressi nel miglioramento della stabilità e della longevità di queste celle in condizioni ambientali reali sono incoraggianti e aprono la strada a un'applicazione commerciale più ampia. Le proprietà termocromiche di alcune finestre a base di perovskite appaiono particolarmente innovative, in quanto non solo possono generare elettricità, ma contribuiscono anche all'efficienza energetica degli edifici regolandone la trasparenza.
Sebbene permangano alcune sfide, il rapido sviluppo della tecnologia perovskite negli ultimi anni suggerisce che le celle solari trasparenti e ad alta efficienza potrebbero presto svolgere un ruolo significativo nell'architettura e nell'approvvigionamento energetico. Questa tecnologia innovativa potrebbe trasformare radicalmente il futuro dell'edilizia, creando edifici le cui finestre e facciate non solo sono esteticamente gradevoli, ma contribuiscono anche attivamente alla produzione di energia.
Adatto a:
Il tuo partner globale per il marketing e lo sviluppo aziendale
☑️ La nostra lingua commerciale è l'inglese o il tedesco
☑️ NOVITÀ: corrispondenza nella tua lingua nazionale!
Konrad Wolfenstein
Sarei felice di servire te e il mio team come consulente personale.
Potete contattarmi compilando il modulo di contatto o semplicemente chiamandomi al numero +49 89 89 674 804 (Monaco) . Il mio indirizzo email è: wolfenstein ∂ xpert.digital
Non vedo l'ora di iniziare il nostro progetto comune.
