Le celle solari realizzate con materiali fotovoltaici semitrasparenti (FV) in genere hanno una trasmissione ottica fissa, che si traduce in elevata trasparenza o alta efficienza, ma raramente entrambe. Per funzionare in modo ottimale quando integrati negli edifici, tuttavia, dovrebbero essere in grado di generare elettricità in modo efficiente, modificando al contempo la quantità di luce trasmessa in base all’intensità della luce naturale dell’ambiente circostante.
I ricercatori della CEA presso l’Université Grenoble Alpes-CNRS, Solaronix e l’Universidad Pablo de Olavide hanno proposto una strategia per fabbricare celle solari in grado di adattarsi alle mutevoli condizioni di luce, ottenendo al contempo elevate efficienze di conversione di potenza. Questa strategia, delineata in un articolo pubblicato su Nature Energy, prevede la sensibilizzazione delle cellule usando coloranti che consentono un cambiamento di colore quando esposti alla luce.
“Nel 2014, stavamo lavorando allo sviluppo di coloranti organici da utilizzare in celle solari semi-trasparenti e sensibili alla tintura (DSSC) con Solaronix, per la costruzione di impianti fotovoltaici integrati”, ha detto Renaud Demadrille, una delle ricercatrici che ha condotto lo studio.
“Uno dei nostri coloranti è stato selezionato per la fabbricazione di pannelli arancioni installati nella facciata solare del centro conferenze EPFL”.
Dopo aver integrato le celle solari che hanno sviluppato in contesti del mondo reale e valutato le loro prestazioni, i ricercatori hanno capito che mentre erano esteticamente gradevoli, la loro fabbricazione ha inevitabilmente comportato un compromesso tra trasparenza ed efficienza energetica. Questo è tutt’altro che ideale, specialmente se le celle devono essere incorporate su finestre o altre superfici che sono in genere trasparenti.
“Ci siamo resi conto che, idealmente, le celle solari semitrasparenti dovrebbero generare elettricità offrendo agli utenti il ​​comfort di autoregolare la propria trasmissione di luce con l’intensità della luce diurna”, ha detto Demadrille. “Questa funzione autoregolante potrebbe aiutare a mitigare la quantità di luce (quando le celle sono esposte al pieno sole) e la temperatura degli edifici con grandi finestre e/o facciate in vetro. Abbiamo quindi deciso di sviluppare una nuova classe di coloranti che abilitare queste proprietà”.
Le celle solari presentate da Demadrille e dai suoi colleghi sono state fabbricate usando coloranti fotocromatici. Quando sono esposti alla luce, le proprietà di assorbimento di questi coloranti vengono alterate, il che si traduce in un cambiamento di colore. Quando le celle solari vengono sensibilizzate usando questi coloranti, acquisiscono le stesse proprietà che cambiano colore.
I coloranti fotocromatici utilizzati dai ricercatori consentono la fabbricazione di celle solari che diventano più scure quando la quantità di luce solare nell’ambiente circostante aumenta e più trasparente quando diminuisce. Quando sono esposti alla luce solare intensa e quindi acquisiscono un colore più scuro, le celle generano anche una maggiore quantità di energia elettrica.
“Questo processo di colorazione / decolorazione può essere ripetuto per diversi mesi senza perdita”, ha detto Demadrille. “In altre tecnologie di celle solari semitrasparenti, la proprietà di trasmissione della luce è fissa durante la fabbricazione e non può essere modificata.”
I ricercatori hanno valutato le loro DSSC in una serie di esperimenti e hanno scoperto che la loro trasparenza variava tra il 60% e il 27%, a seconda dell’intensità della luce solare nei loro dintorni, ma hanno anche raggiunto un’efficienza di conversione di potenza del 4,17%. Sorprendentemente, le loro sono le prime celle solari mai sviluppate in grado di adattarsi alle mutevoli condizioni di luce. Questa caratteristica consente loro di catturare l’energia solare durante il giorno e di filtrare meno luce che li attraversa man mano che diventa più scuro, ad esempio, la sera o la mattina presto.
In futuro, le celle solari introdotte da Demadrille e dai suoi colleghi potrebbero essere integrate nella costruzione di finestre o su altre superfici che potrebbero beneficiare della trasparenza durante le ore più buie della giornata. Inoltre, i coloranti fotocromatici utilizzati sulle celle potrebbero essere applicati ad altri materiali fotovoltaici al fine di fornire loro simili proprietà che cambiano colore.
“Riteniamo che con ulteriori miglioramenti delle loro prestazioni e stabilità, le nostre celle avranno il potenziale per essere incorporate nelle facciate di edifici o persino veicoli, fungendo da finestre solari”, ha detto Demadrille. “Nei nostri prossimi studi, abbiamo quindi in programma di esplorare modi per migliorare le loro prestazioni elettriche e la stabilità. Nel frattempo, stiamo anche lavorando su una seconda generazione di coloranti con una risposta autoadattativa più rapida alle condizioni di luce.”