Finestre fotovoltaiche per edifici ecosostenibili

Le finestre fotovoltaiche sono pannelli di vetro trasparenti e contemporaneamente in grado di assorbire la luce solare convertendola in energia elettrica. Questa tecnologia è direttamente integrabile negli edifici a impatto zero (Zero-Energy Building), ossia edifici completamente autonomi da un punto di vista energetico. Non solo, dal punto di vista puramente estetico non c’è alcun stravolgimento architettonico, in quanto non è necessario installare ingombranti pannelli solari.

L’unico eventuale svantaggio delle finestre con impianto fotovoltaico integrato risiede nell’impossibilità di poterle orientare verso il sole, come invece si farebbe con un pannello solare, ma il potenziale risparmio energetico della tecnologia la rende estremamente attraente e conveniente.

Una nuova tecnologia

La tecnologia, denominata “concentratori solari luminescenti” (LSC), fu brevettata pochi anni fa dall’Università di Milano – Bicocca e poi ceduta alla startup milanese Glass to Power. Questi, in collaborazione con l’Istituto di Struttura della Materia del CNR, hanno pubblicato un nuovo studio sulla prestigiosa rivista Joule a settembre 2020. In esso descrivono un metodo innovativo a basso impatto ambientale e ad elevata efficienza per produrre uno dei materiali necessari alla tecnologia, in particolare il concentratore di luce (LSC).

La ricerca è contenuta nel seguente articolo dal titolo “Chemically Sustainable Large Stokes Shift Derivatives for High-Performance Large-Area Transparent Luminescent Solar Concentrators”.

Il funzionamento delle finestre fotovoltaiche

Il loro funzionamento si basa sulla proprietà di molte molecole organiche di poter assorbire radiazione luminosa – solare – di una certa lunghezza d’onda e di riemetterla ad una lunghezza d’onda più grande e definita con elevata efficienza. Queste sostanze sono quindi disperse all’interno di una lastra di polimetilmetacrilato – Plexiglas – che convoglia questa radiazione luminosa emessa verso i bordi della finestra. Qui sono presenti delle piccole e sottili celle fotovoltaiche le quali la convertono in energia elettrica. Il principio di funzionamento è quindi molto semplice, ma cerchiamo di capire cosa accade. Per far ciò, dobbiamo necessariamente sfiorare il concetto di spettro elettromagnetico e quindi di luce visibile e non visibile.

Figura 1. Schema di funzionamento di una finestra fotovoltaica. (Adattato da: vedi fonti a fine articolo)

Lo spettro elettromagnetico

Lo spettro elettromagnetico è l’insieme di tutte le frequenze (o lunghezze d’onda) della radiazione elettromagnetica. Lunghezze d’onda e frequenze sono inversamente proporzionali, il che significa che quando una, ad esempio, raddoppia, l’altra si dimezza e viceversa. Inoltre la frequenza, che si misura in Hertz (Hz), è direttamente proporzionale all’energia dell’onda in questione.

Lo spettro elettromagnetico è arbitrariamente diviso in sezioni, che vanno dalle frequenze più basse – ed energie minori come le onde radio – alle frequenze più elevate, con energie più elevate, come i raggi gamma, prodotti dal decadimento radioattivo di nuclei atomici. Le sezioni sono le seguenti, disposte in ordine crescente di frequenze (o decrescente di lunghezze d’onda): onde radio, microonde, infrarossi (IR), luce visibile, ultravioletto (UV), raggi X e raggi gamma.

Figura 2. Spettro elettromagnetico. Le frequenze sono espresse in Hertz, le lunghezze d’onda (wavelength in inglese), essendo delle lunghezze, sono espresse in multipli o sottomultipli del metro. (Immagine tratta da Wikipedia)

Come avrete potuto capire, la componente visibile, ossia percepibile all’occhio umano, è molto piccola rispetto alla vastità della radiazione elettromagnetica, che è invece invisibile al nostro occhio. Il Sole, la nostra stella, emette un continuo di radiazioni elettromagnetiche. Quelle tra queste che arrivano sulla Terra vanno dal vicino UV (detto UV-A, con un range di 315 – 400 nanometri), passando per la luce detta visibile (400 – 700 nanometri), fino all’infrarosso.

Una molecola azzurra

Torniamo ora alle finestre fotovoltaiche e alle molecole coinvolte. Queste ultime assorbono radiazione nel vicino UV, non assorbono (e quindi lasciano passare, ossia sono trasparenti) luce visibile ed infine emettono radiazione luminosa visibile di diversi colori, a seconda della molecola.

Quella proposta dai ricercatori in questo studio assorbe a 405 nanometri (nel viola, vicino all’ultravioletto) ed emette a 500 nanometri, quindi nell’azzurro. Come potete vedere in figura 3, quando la lastra di vetro è esposta alla luce solare, mostra una leggera colorazione azzurrina. Come detto in precedenza, questa luce emessa è convogliata dalla lastra di vetro verso i bordi della stessa, dove saranno presenti celle fotovoltaiche che la convertono in energia elettrica pronta all’uso.

Figura 3. Finestra in Plexiglas prodotta dai ricercatori di questo studio con dispersa all’interno la molecola LSC. Quando esposta a luce solare, emette luce di colore azzurro.

Sintesi chimica green

Ciò che rende lo studio estremamente innovativo è il metodo sviluppato per la produzione della molecola LSC. La strategia riduce l’impatto ambientale, misurato con il fattore E, cioè il rapporto tra scarto e prodotto, di almeno 50 volte rispetto ad altre molecole con efficienza confrontabile. Una delle principali cause di elevato impatto ambientale di produzione di una molecola organica è l’uso dei solventi. La molecola qui descritta è sintetizzata con tecniche meccanochimiche che non necessitano di solventi. I reagenti sono miscelati a secco all’interno di un ball miller o vibromiscelatore, rendendo green il processo di sintesi.

Considerati gli attuali e celeri sviluppi di questo campo di ricerca, è assai probabile che nel giro di pochi anni le finestre fotovoltaiche vengano implementante nei nuovi edifici. Così facendo, questi saranno totalmente (o quasi) autosufficienti dal punto di vista energetico.

Fonti:
S. Mattiello et al., “Chemically Sustainable Large Stokes Shift Derivatives for High-Performance Large-Area Transparent Luminescent Solar Concentrators”, Joule, 2020

Ludovico Andrea Alberta

Mi chiamo Ludovico e ho iniziato da poco (Settembre 2020) a scrivere per The Science Lab. Sono laureato magistrale in Scienze e Tecnologie Chimiche all'Università di Milano - Bicocca. Attualmente mi trovo a Dresda (Germania) per il mio dottorato. Mi occupo, insieme ai miei colleghi del progetto BIOREMIA ETN, di sviluppare nuovi potenziali materiali per impianti ortopedici. Io nello specifico studio e ricerco leghe innovative di titanio con azione antibatterica. (Se vuoi saperne di più, visita il sito www.bioremia.eu)

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