La cella fotovoltaica organica che accumula l’energia per settimane

Grazie a una struttura nanometrica innovativa per il FV organico si riescono a mantenere separate le cariche anche per settimane. La scoperta fatta all'UCLA potrebbe portare a celle fotovoltaiche low-cost, dalla produzione sostenibile e che risolverebbero il grande problema della intermittenza nella produzione di energia solare.

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I progressi che si stanno facendo nei laboratori della University of California, Los Angeles, l’UCLA potrebbero rivoluzionare il mondo dell’energia solare: dalle loro ricerche, pubblicate su Science (vedi link in basso), è nata una struttura nanotecnologica che permettere di avere celle fotovoltaiche prodotte in maniera semplice, economica, ecosostenibile e, cosa molto interessante, che saranno in grado di accumulare al loro interno l’energia del sole per giorni e addirittura per settimane. Un’evoluzione che cambierebbe il modo in cui il FV produce e il ruolo che può avere nel sistema elettrico.

Il nuovo design concepito all’UCLA, come per altre soluzioni del cosiddetto fotovoltaico organico, si ispira a quello che consente alle piante di produrre energia con la fotosintesi in maniera estremamente efficiente.

Sarah Tolbert, chimica tra gli autori dello studio, lo spiega così: “Nella fotosintesi, le piante, esposte alla luce solare usano nelle loro celle strutture accuratamente organizzate in nanoscala per separare rapidamente le cariche, separando gli elettroni dalla molecola con carica positiva, e per mantenere le cariche positive e negative separate. Quella separazione è la chiave per rendere il processo efficiente”.

Per catturare l’energia dalla luce solare, le celle FV convenzionali utilizzano il silicio, un materiale relativamente costoso. Un’altra strada che si sta seguendo è quella di usare plastica o altri polimeri per avere celle a costi minori. Sì tratta però di tecnologie che (oltre a presentare incognite sulla durata delle celle) consentono di raggiungere efficienze nettamente minori rispetto alle celle in silicio e ciò è dovuto essenzialmente al fatto che le cariche elettriche positive e negative separate spesso si ricombinano prima che possano diventare energia elettrica.

La differenza tra la tecnologia cui si sta lavorando all’UCLA e quelle che abbiamo visto finora è appunto che le nuove celle riuscirebbero a mantenere separate le cariche per giorni o anche per settimane. Questo grazie ad una particolare struttura nanometrica. “Le celle FV in plastica attuali non hanno strutture ben organizzate come quelle delle piante, perché finora non si sapeva come realizzarle – spiega Tolbert – ma il nuovo sistema separa le cariche e le mantiene così per diverso tempo. Realizzando la giusta struttura si può aumentare di molto la capacità di immagazzinare energia.”

La tecnologia sviluppata all’UCLA si basa su due componenti organizzate in strutture nanometriche: un polimero che cede gli elettroni ricevuti dalla luce del sole e delle molecole di fullerene che le ricevono. Quale sia la differenza con altre tecnologie di FV organico, i ricercatori dell’UCLA lo spiegano usando gli spaghetti: le nanostrutture che si realizzavano finora erano come piatti di pasta cotta, in cui gli spaghetti erano i polimeri e i pezzi di ragù il fuellerene. Questa struttura disordinata ha l’inconveniente che parte degli elettroni ritornano dal “ragù” allo “spaghetto”, cioè dal fuellerene al polimero, facendo perdere elettricità.

Nella nuova nanostruttura ottenuta (vedi immagine), invece, gli spaghetti-polimero si presentano come in un pacco di pasta ancora da cuocere, in fasci paralleli, e i pezzi di ragù-fuellerene sono posizionati in maniera precisa, alcuni all’interno del fascio e alcuni all’esterno. In questo modo gli elettroni raccolti dai polimeri, che le molecole di fuellerene interne al fascio restituiscono, vanno a quelle esterne al fascio, cosa che permette di tenere gli elettroni lontani dal polimero anche per settimane, accumulando energia.

Punto di forza della nuova tecnologia è il fatto che la nanostruttura descritta si autoassembla e che la sua realizzazione ha un impatto ambientale minore, perché il processo avviene in acqua e non nelle soluzioni tossiche che si usano in altre tecnologie simili.

Forse allora è in arrivo una tecnologia low-cost, sostenibile e che risolve il grande problema dell’intermittenza nella produzione di energia dal sole. Ma non è ancora il caso di festeggiare: per ora queste nanostrutture sono state realizzate ma non ancora incluse in un circuito elettrico e in una cella vera e propria. Insomma c’è ancora un bel po’ di strada da fare ma la direzione intrapresa è senz’altro molto interessante.

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