A prima vista sembrerebbe una “mission impossible”: trasformare i vetri delle finestre degli edifici in moduli fotovoltaici, così da prodursi elettricità in casa senza installare nuovi dispositivi sul tetto.
La missione è complicata per una ragione evidente: o si fa entrare la luce in casa, e quindi la si impiega per illuminare gli interni, oppure la si intercetta con un qualche semiconduttore opaco, che la userà per produrre elettricità, lasciando in penombra l’abitazione.
Eppure, nonostante questo apparente aut-aut, sono almeno dieci anni che laboratori di tutto il mondo cercano di risolvere il problema, evidentemente allettati dall’enorme mercato che si aprirebbe con delle vere finestre fotovoltaiche.
In particolare, fabbricare finestre fotovoltaiche consentirebbe di risolvere uno dei principali problemi della transizione energetica nelle città moderne. Ad esempio, cosa fare con i grattacieli dalle enormi facciate, ma con pochissimo tetto da sfruttare per installare i più convenzionali pannelli?
L’esistenza di convertitori FV da applicare al posto dei vetri da finestra risolverebbe in parte questo problema.
I primi tentativi di vetri fotovoltaici
I primi esempi realizzati sono stati abbastanza semplici: usare pannelli fotovoltaici che coprono solo una parte della superficie della finestra, così sottili da risultare semitrasparenti e capaci di assorbire una parte dello spettro della luce solare, lasciando passare il resto.
In questi modi si possono ottenere buone rese di produzione, ma con vetri non completamente trasparenti: nei primi due casi la finestra è “tassellata” da celle FV o da griglie di elettrodi opachi, e non è certo esteticamente piacevole; nel terzo caso, quello con il FV che usa solo una parte dello spettro solare, la luce che attraversa il vetro non sarà più bianca ma colorata. Ma chi si farebbe installare finestre con vetri blu, verdi o rossi?
Questi pannelli di vetri FV colorati sono prodotti, per esempio, dalla nuova compagnia svizzera G-neration.energy AG che ha assorbito la tecnologia della Kromatix Glass Tech SA: hanno usi limitati a realizzazione architettoniche in cui ci sono vetrate o facciate decorative multicolori.
Altre società puntano invece a vetri “meno trasparenti”, realizzati con celle FV opache, ma che non coprono tutto il vetro, oppure con il semiconduttore spalmato in uno strato sottile sulla superficie, così che resti semitrasparente.
In entrambi i casi finestra e pannello si spartiscono la luce, con il secondo che ne riceve fra il 30 e il 90% a secondo degli usi. Impianti solari di questo tipo sono prodotti dalla spagnola Onyx solar.
Entro certi limiti diminuire la luce che entra nei grattacieli è corretto e fattibile: quella che arriva dai loro finestroni è spesso troppa e surriscalda gli interni, e viene perciò limitata con tapparelle o appositi filtri. E i nostri occhi, comunque, si adattano rapidamente a considerare “diurni” anche livelli di luce in realtà molto ridotta rispetto all’esterno.
Queste finestre fotovoltaiche, in genere costituite da doppi o tripli vetri, con le celle semitrasparenti, sono poste su una faccia interna: quelle con una trasparenza del 30% hanno una potenza di picco di circa 100 watt per metro quadrato. Visto però che sono in verticale, la loro produzione si riduce di un altro 30% circa rispetto ai classici pannelli posti con un’inclinazione ottimale.
Gli architetti sembrano però restii a usare questi prodotti che rendono meno libera la trasparenza della finestra o che colorano la luce.
Anche se uno dei più spettacolari impieghi delle finestre FV, il grattacielo “The frame” a Dubai, opera della citata Onyx Solar, usa in effetti 1.200 mq di finestre fotovoltaiche giallo oro in silicio amorfo, l’applicazione dei vetri colorati in architettura è abbastanza limitata.
Agli architetti servirebbero finestre fotovoltaiche con un vetro completamente trasparente, magari “fumé”, ma senza strutture opache inserite dentro o strane tinte, quindi abbastanza indistinguibili da quelle normali.
Ma la realizzazione di finestre fotovoltaiche di questo tipo, utilizzabili anche nelle abitazioni richiede tecnologie molto più sofisticate, spesso frutto di complesse ricerche universitarie.
La start up italiana
Ne abbiamo parlato più volte su QualEnergia.it, fin dal 2016, quando annunciammo Glass-to-Power, una startup fondata sui brevetti ottenuti dal professor Sergio Brovelli, dell’Università Milano Bicocca.
Glass-to-Power, oggi diventata una azienda produttiva con sede a Trento, ebbe l’idea di installare le celle fotovoltaiche sensibili all’infrarosso lungo il perimetro della finestra, mentre la lastra di vetro, doppio o triplo, ospita all’interno uno strato di plexiglass contenente nano particelle di silicio o altri semiconduttori, che, pur essendo invisibili, hanno la proprietà di assorbire tutto lo spettro della luce solare, riemettendola poi sotto forma di infrarossi, che rimbalzano sulla superficie della lastra fino ai bordi, alimentando le celle.
Le ultime versione dei prodotti di Glass-to-Power raggiungono un’efficienza di quasi il 7%, riducendo la luce di circa il 30% senza colorarla, con un aumento di prezzo rispetto ai vetri isolanti normali che si recupera rapidamente con la produzione elettrica.
L’idea italiana è stata ripresa anche da altre società, come l’australiana ClearVue, che produce una finestra solare trasparente da 50 watt/mq con circa il 70% di trasparenza (foto in alto tratta dal sito dell’azienda).
L’ultima ricerca arriva dalla Cina
Adesso è arrivata una proposta del tutto nuova dalla Cina, che certo non poteva restare fuori da questo settore.
Yan-Qing Lu e Wei Hu, della Nanjing University hanno presentato sulla rivista PhotoniX , un nuovo tipo di vetro fotovoltaico con un rivestimento a base di cristalli liquidi, incolore e trasparente.
I ricercatori cinesi hanno utilizzato dei particolari cristalli liquidi detti ‘colesterici’, in cui le molecole si dispongono a formare una struttura elicoidale, come quella di una molecola di Dna: in questo modo riescono a riflettere la luce in maniera selettiva, raccogliendo solo quella di una lunghezza d’onda determinata dalla struttura molecolare.
Applicati sul vetro, questi cristalli liquidi possono guidare la luce solare esterna alle lunghezze d’onda visibili verso il bordo della finestra, dove vengono installate delle apposite celle fotovoltaiche.
Il rivestimento ha dimostrato di rimanere stabile anche dopo essere stato esposto al Sole per molto tempo senza compromettere la trasparenza della finestra: lascia infatti passare il 64% della luce e non altera in maniera significativa i colori.
Al momento una cella realizzata con questo sistema di 5 cmq ha mostrato una potenza di circa 10 milliwatt, che si traduce in circa 20 watt al metro quadro, ancora lontano da una “soglia commerciale”, ma, secondo i ricercatori, suscettibile di notevoli miglioramenti.
Vedremo se questa nuova tecnologia farà fare passi avanti nella trasformazione delle finestre in pannelli fotovoltaici.
