Una finestra solare creata dagli scienziati della Michigan State University a East Lansing ha raggiunto un’efficienza del 5% usando il fotovoltaico organico.
RICHARD LUNT/MICHIGAN STATE UNIVERSITY
Lance Wheeler guarda i grattacieli di vetro e vede un potenziale non sfruttato. Case e uffici, dice, rappresentano il 75% dell’uso di elettricità negli Stati Uniti, e il 40% dell’uso globale di energia. Le finestre, poiché perdono energia, sono una grande parte del problema. “Qualsiasi cosa possiamo fare per mitigare questo avrà un impatto molto grande”, dice Wheeler, un esperto di energia solare al National Renewable Energy Laboratory di Golden, Colorado.
Una serie di risultati recenti indica una soluzione, dice: Trasformare le finestre in pannelli solari. In passato, gli scienziati dei materiali hanno incorporato pellicole che assorbono la luce nel vetro delle finestre. Ma tali finestre solari tendono ad avere una tinta rossastra o marrone che gli architetti trovano poco attraente. Le nuove tecnologie di finestre solari, tuttavia, assorbono quasi esclusivamente la luce invisibile ultravioletta (UV) o infrarossa. Questo lascia il vetro chiaro mentre blocca la radiazione UV e infrarossa che normalmente trapela attraverso di esso, fornendo a volte calore indesiderato. Tagliando il guadagno di calore mentre si genera energia, le finestre “hanno enormi prospettive”, dice Wheeler, compresa la possibilità che un grande edificio per uffici possa alimentarsi da solo.
La maggior parte delle celle solari, come le celle standard in silicio cristallino che dominano l’industria, sacrificano la trasparenza per massimizzare la loro efficienza, la percentuale di energia nella luce solare convertita in elettricità. Le migliori celle di silicio hanno un’efficienza del 25%. Nel frattempo, una nuova classe di materiali opachi per celle solari, chiamati perovskiti, si sta avvicinando al silicio con un’efficienza massima del 22%. Non solo le perovskite sono più economiche del silicio, ma possono anche essere sintonizzate per assorbire specifiche frequenze di luce modificando la loro ricetta chimica.
Questa settimana in Joule, un team guidato da Richard Lunt, un ingegnere chimico della Michigan State University di East Lansing, riferisce di aver sintonizzato i materiali per sviluppare una finestra solare perovskite assorbente UV con un’efficienza dello 0,5%. Anche se questo è al di sotto dell’efficienza delle migliori celle di perovskite, Lunt dice che è abbastanza alto per alimentare un’altra tecnologia di finestra: un vetro oscurante su richiesta che ferma la luce intensa nel calore del giorno, riducendo così il bisogno di aria condizionata di un edificio. Lunt ritiene che il suo team abbia un percorso chiaro per raggiungere efficienze del 4% nei prossimi anni. A quel ritmo, le celle potrebbero alimentare parte dell’illuminazione e dell’aria condizionata dell’edificio.
All’altra estremità dello spettro è la luce infrarossa, che colpisce la superficie terrestre più intensamente della luce UV e può quindi generare più elettricità. L’anno scorso, su Nature Energy, il team di Lunt ha riferito di aver realizzato celle trasparenti, che assorbono i raggi UV e infrarossi, con un’efficienza del 5%, utilizzando il fotovoltaico “organico” – panini di film sottili di semiconduttori organici e metalli. Lunt dice che i sistemi futuri che aggiogano le perovskite che catturano i raggi UV a quelle organiche che catturano i raggi infrarossi potrebbero raggiungere efficienze del 20%, pur essendo quasi interamente trasparenti.
Un terzo approccio alle finestre solari chiare si basa sui cosiddetti concentratori solari luminescenti. In queste finestre, i punti quantici, che sono minuscole particelle semiconduttrici, assorbono la luce alle frequenze UV e infrarosse e la riemettono alle lunghezze d’onda che le celle solari tradizionali catturano. La luce riemessa è concentrata e deviata lateralmente, attraverso il vetro, alle strisce di celle solari incorporate nel telaio della finestra. Poiché i punti quantici sono economici da realizzare e solo una piccola quantità di materiale delle celle solari è necessaria per catturare la luce riemessa, queste finestre solari promettono di essere poco costose. Inoltre, le celle solari funzionano meglio sotto una luce intensa e concentrata. Già queste finestre hanno raggiunto efficienze del 3,1%, Victor Klimov, un chimico del Los Alamos National Laboratory in New Mexico, e i suoi colleghi hanno riferito in Nature Photonics in gennaio.
Non contate ancora le finestre semitrasparenti, dice Michael McGehee, un esperto di finestre solari e perovskiti alla Stanford University di Palo Alto, California. L’anno scorso, per esempio, il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha assegnato 2,5 milioni di dollari alla Next Energy Technologies di Santa Barbara, California, per perfezionare le sue finestre a celle solari organiche semitrasparenti. L’azienda ha raggiunto efficienze del 7% con finestre che assorbono la metà della luce solare incidente che le colpisce, luce visibile inclusa. Questo le scurisce rispetto al vetro trasparente, ma poiché assorbono la luce da tutto lo spettro piuttosto che a frequenze specifiche, non assumono l’antiestetica tonalità rossastra o marroncina. “Si scopre che una finestra che assorbe circa la metà della luce in tutto lo spettro visibile sembra grande”, dice McGehee, che serve anche come consulente della società.
Wheeler non è sicuro di quale tecnologia finirà in cima. Un fattore sarà la tossicità: Il vetro si rompe, e molte tecnologie di finestre solari contengono una piccola quantità di materiali tossici. Le tecnologie devono anche essere abbastanza durevoli da durare decenni, come richiesto dall’industria edilizia. Ma lui dice che è una scommessa sicura aspettarsi che i futuri edifici non attingeranno tutta la loro energia dalla rete. Anche loro la genereranno. “I costruttori devono comunque mettere le finestre”, dice Wheeler. “Perché non sfruttare quelle finestre?”
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