Soluzioni fotovoltaiche flessibili che uniscono prestazioni elevate e ampia portata
Poiché il mondo cerca di ridurre la sua dipendenza dai combustibili fossili e di passare a fonti di elettricità più pulite e sostenibili, l’energia solare è diventata una questione di primo piano. Grazie al loro design economico e leggero, le celle solari organiche a base di polimeri sono emerse come una promettente alternativa al fotovoltaico convenzionale basato sul silicio.
Vantaggi delle celle solari organiche a base di polimeri
«Le celle solari organiche a base di polimeri di nuova generazione offrono diversi vantaggi rispetto ai tradizionali convertitori di energia solare, in particolare per le applicazioni di nicchia», osserva Riccardo Po, coordinatore di LABandFAB, un progetto finanziato nell’ambito del programma di azioni Marie Skłodowska-Curie. Il loro meccanismo di funzionamento si basa sul trasferimento di elettroni fotoindotto da un donatore polimerico a una molecola accettore, consentendo una conversione efficiente dell’energia solare. In linea di principio, il fotovoltaico organico può essere fabbricato ricorrendo a processi di stampa o rivestimento a bassa temperatura a partire da inchiostri a base di solventi, il che lo rende compatibile con substrati plastici flessibili. «Grazie ai recenti risultati conseguiti in laboratorio nel settore del fotovoltaico organico, è stato possibile ottenere efficienze di conversione di potenza fino al 20 % mediante una migliore ingegnerizzazione dei materiali, un attento controllo della morfologia dello strato fotoattivo e l’utilizzo di architetture dei dispositivi specificamente personalizzate», spiega Po. Nonostante questi progressi, rimane tuttora da sfruttare l’applicazione commerciale su larga scala di questa tecnologia.
Difficoltà nella commercializzazione del fotovoltaico organico
«Il successo commerciale della tecnologia fotovoltaica organica dipende dal trasferimento dei risultati della ricerca di laboratorio a moduli di grandi dimensioni prodotti in impianti di stampa ad alta produttività», aggiunge Po. «Tuttavia, diversi fattori legati alla complessità dei materiali e alla tecnologia di fabbricazione continuano a ostacolare lo sviluppo del fotovoltaico organico.» Per stampare una soluzione di inchiostro attivo, è necessario ottenere uno spessore del film sufficiente a evitare fori di cablaggio e cortocircuiti nei dispositivi fotovoltaici. La maggior parte degli studi pubblicati su dispositivi ad alta efficienza basati su accettori non fullereni riporta spessori di circa 100 nm. Pur essendo compatibili con le tecniche di deposizione su scala di laboratorio, come il rivestimento mediante centrifugazione, questi spessori non sono adatti alle tecniche di deposizione roll-to-roll. Questa differenza di scalabilità rappresenta una sfida nel passaggio dalla ricerca di laboratorio alla produzione commerciale. Nel tentativo di superare questi ostacoli e commercializzare il fotovoltaico organico, i ricercatori hanno istituito il progetto LABandFAB. Il team del progetto ha esaminato nuovi materiali e tecniche che potrebbero migliorare l’efficienza e la stabilità della tecnologia. Tra queste, la sintesi di un nuovo polimero coniugato a bassa complessità sintetica (che si traduce in un minor costo del materiale), un’efficienza di conversione di potenza prossima al 10 % e una stabilità di conservazione pari a oltre 2 300 ore. «Abbiamo studiato tecniche di deposizione compatibili con il roll-to-roll, come la patinatura a lama raschiante, che consentono di fabbricare celle solari organiche utilizzando solventi non clorurati», osserva Po. «Questo approccio ecocompatibile potrebbe ridurre considerevolmente il costo e la complessità della produzione di celle solari organiche, rendendole più accessibili per le applicazioni commerciali.»
Bilanciare prestazioni e accessibilità
Sebbene la ricerca di livelli di efficienza più elevati sia importante, LABandFAB ha anche sottolineato la necessità di trovare un equilibrio tra prestazioni e accessibilità. Una meta-analisi ha rivelato l’inevitabilità di una diminuzione dell’efficienza dello strato fotovoltaico organico dovuta all’aumento dello spessore. Questa diminuzione può essere mitigata solo parzialmente attraverso l’uso sapiente di risorse altamente specializzate. Di conseguenza, è stato proposto un nuovo fattore di merito per sensibilizzare i ricercatori su questo problema spesso trascurato. LABandFAB si è anche concentrato sullo sviluppo di metodi di incapsulamento e di approcci alternativi di previsione per gli studi di stabilità, che possono contribuire a snellire il processo di collaudo e valutazione di nuovi materiali e progetti fotovoltaici organici. Nonostante l’avvio tardivo del progetto LABandFAB a causa delle restrizioni dovute alla COVID-19, sono stati compiuti progressi significativi nello sviluppo di celle solari organiche a base di polimeri. I risultati del progetto hanno fornito preziose indicazioni alla comunità di ricerca sul fotovoltaico organico, producendo due pubblicazioni di grande impatto apparse su Advanced Materials e Solar RRL.
Parole chiave
LABandFAB, celle solari organiche a base polimerica, fotovoltaico organico, accessibilità, flessibile, scalabilità, deposizione roll-to-roll
