Una finestra che lascia passare la luce e, allo stesso tempo, produce elettricità non è una novità assoluta nei laboratori di fotovoltaico organico. La novità, questa volta, riguarda il modo in cui quella finestra può essere fabbricata: il Fraunhofer ISE (Istituto Fraunhofer per i sistemi a energia solare, Friburgo) e l'Università di Friburgo hanno realizzato moduli fotovoltaici organici (OPV) semitrasparenti utilizzando solo due processi produttivi già consolidati su scala industriale — sputtering e slot-die coating — superando uno degli ostacoli più citati nella letteratura di settore: la difficoltà di passare dalla cella di laboratorio al modulo di dimensioni utilizzabili senza perdere efficienza lungo il percorso.
TRL 4-5 — Dimostrazione/prototipo: moduli da laboratorio (14,5x14,5 cm) realizzati con processi industrialmente collaudati e scalabili, nessun impianto produttivo su scala reale è ancora stato avviato
Impatto potenziale: medio
Il problema: il fotovoltaico organico fatica a crescere di taglia
Il fotovoltaico organico (OPV, organic photovoltaics) sostituisce il silicio cristallino con semiconduttori a base di carbonio, in genere polimeri o piccole molecole organiche depositati in strati sottilissimi. Il vantaggio non è mai stata l'efficienza di conversione, che per le celle organiche opache resta oggi nell'ordine del 19-20% in laboratorio, lontana dalle prestazioni del silicio commerciale: il punto di forza è la possibilità di ottenere dispositivi leggeri, flessibili, colorabili a piacere e, soprattutto, semitrasparenti, aprendo applicazioni che il silicio rigido non può servire, dalle vetrate degli edifici alle coperture di serre. Il problema pratico che ha frenato per anni questa tecnologia è un altro: i record di laboratorio si ottengono quasi sempre su celle di pochi millimetri quadrati, mentre il passaggio a moduli di dimensioni utili nel mondo reale comporta quasi sempre una perdita di efficienza, perché processi di deposizione pensati per piccole superfici non si comportano allo stesso modo su aree più grandi. Come sintetizza Uli Würfel, responsabile del dipartimento Organic and Perovskite Photovoltaics del Fraunhofer ISE, "portare le celle organiche su superfici più ampie resta una delle sfide principali del settore".
Come funziona: due processi industriali, non uno di laboratorio
Il modulo realizzato dal team di Friburgo misura 14,5 per 14,5 centimetri (poco più di 210 cm²) e collega, tramite strutturazione laser, oltre 100 celle elementari. Ogni cella è costruita in tre strati: un elettrodo posteriore multistrato a base d'argento, depositato per sputtering (polverizzazione catodica) su un substrato di vetro, che riflette verso il dispositivo la luce nel vicino infrarosso senza bloccare quella visibile; uno strato assorbente di semiconduttori organici, che assorbono fortemente l'infrarosso e lasciano passare quasi indisturbata la luce visibile, cioè quella che l'occhio umano percepisce; un elettrodo superiore privo di metalli, realizzato in PEDOT:PSS (un polimero conduttore trasparente) grazie a una nuova formulazione messa a punto dall'azienda Heraeus Epurio, applicata in più strati tramite slot-die coating, una tecnica di rivestimento a fessura già standard in molte produzioni industriali di film sottili. Il risultato che i ricercatori definiscono una "svolta" non è un singolo materiale, ma il fatto che, per la prima volta, l'intero stack della cella sia stato depositato con processi scalabili e con perdite di efficienza considerate trascurabili rispetto ai dispositivi di laboratorio di partenza.
I numeri: 43% di trasparenza, 9,26% di efficienza
I moduli raggiungono una trasmittanza media nel visibile del 43,2% e un'efficienza di conversione fino al 9,26%, con una "light utilization efficiency" (un indice che pesa insieme trasparenza ed efficienza) fino al 4,0%. Il confronto con il progetto precedente dello stesso gruppo, Durchblick-PV (2021-2023), che aveva raggiunto circa il 30% di trasparenza con circa il 10% di efficienza, mostra il progresso reale: oltre dieci punti percentuali di trasparenza in più, a parità sostanziale di efficienza, grazie soprattutto al contributo del nuovo PEDOT:PSS più trasparente. Il lavoro, pubblicato ad agosto sulla rivista scientifica Joule, include anche i primi moduli organici flessibili su film sottile, realizzati con supporti forniti dall'azienda ROWO Coating: dopo 1.274 cicli di piegatura attorno a un'asta di soli 15 millimetri di diametro, questi prototipi hanno mantenuto il 100% dell'efficienza iniziale, un dato di robustezza meccanica non scontato per un dispositivo fotovoltaico a film sottile.
Prospettive industriali: cosa manca ancora
Il progetto Durchblick-PV, finanziato dal ministero federale tedesco per l'Economia e il Clima, ha coinvolto oltre a Fraunhofer ISE e Università di Friburgo anche le aziende Heraeus Epurio, ROWO Coating e ASCA. Il messaggio che l'istituto vuole far passare è che, con processi di sputtering e slot-die coating già maturi nell'industria dei rivestimenti e dei film sottili, il passaggio dal modulo dimostrativo da 210 cm² a superfici più ampie sia soprattutto una questione di ingegnerizzazione del processo, non di nuova scienza dei materiali da inventare da zero. Resta da vedere quanto questo si confermi nella pratica: né il comunicato né le riprese della notizia da parte della stampa specializzata internazionale riportano ancora dati su costi di produzione, durata in esercizio all'aperto, degrado nel tempo o una tabella di marcia per l'industrializzazione. Lo stesso Würfel si dice "ottimista sulla possibilità di aumentare ulteriormente la trasparenza senza compromettere l'efficienza", perché il processo produttivo è ora, a suo dire, sotto controllo; mentre il ricercatore Mathias List indica come prossimo passo l'aumento delle dimensioni anche per i moduli flessibili su film.
Perché interessa il settore
Il fotovoltaico integrato negli edifici (BIPV) resta oggi una nicchia rispetto al fotovoltaico su tetto o a terra, frenato proprio dalla difficoltà di coniugare prestazioni, estetica e processi produttivi compatibili con l'industria del vetro e dell'edilizia. Un modulo con trasparenza superiore al 50% potrebbe in linea di principio sostituire il vetro nelle finestre e nelle facciate continue, mentre versioni meno trasparenti, con un effetto cromatico voluto, si prestano a elementi di facciata o persino a tettucci di automobili; le stesse celle, applicate su serre, aprono la strada a un fotovoltaico agrivoltaico che lascia filtrare la luce utile alla crescita delle piante. Ciò che distingue questo risultato da molti annunci di laboratorio sul fotovoltaico organico — incluse le ricerche più orientate alla fisica di base, come gli studi recenti sulla riduzione delle perdite ottiche fondamentali nelle celle organiche — è l'insistenza sui processi produttivi: non un nuovo record di efficienza in sé, ma la dimostrazione che l'intero dispositivo, non solo un singolo strato, può essere fabbricato con tecniche già usate nell'industria dei rivestimenti su vetro e dei film sottili. È il tipo di risultato che conta per il trasferimento tecnologico, anche se la strada dal modulo da 210 cm² a una vetrata di un edificio reale resta ancora lunga.
Il commento di PINET
Per l'Italia, dove il mercato del fotovoltaico integrato negli edifici è ancora marginale rispetto agli impianti su tetto a silicio cristallino, un risultato come questo interessa soprattutto come indicatore di dove sta andando la ricerca sul tema: il CNR, con ENEA, IMEM-CNR e le università di Padova e Parma, ha portato avanti negli scorsi anni un progetto dedicato proprio agli ostacoli di mercato del BIPV, basato però su celle a colorante e film sottile inorganico piuttosto che sul fotovoltaico organico polimerico di questo studio tedesco — un segnale che l'interesse per il tema c'è, ma le strade tecnologiche seguite restano diverse. Perché una tecnologia come questa arrivi a un cantiere italiano servirebbero almeno tre cose che oggi mancano: dati di durata all'aperto su archi temporali pluriennali, una normativa e una filiera di certificazione che trattino il vetro fotovoltaico come materiale da costruzione (non solo come impianto elettrico) e un quadro di incentivi che oggi, in Italia, premia quasi esclusivamente il fotovoltaico convenzionale su tetto. Il giudizio resta quindi cautamente interessato: la dimostrazione che il fotovoltaico organico può uscire dal singolo centimetro quadrato di laboratorio con processi già industriali è un passo reale, ma la distanza tra un modulo dimostrativo e una vetrata certificata per un edificio è ancora ampia, e per ora non ci sono tempistiche dichiarate per colmarla.
Fonti: Fraunhofer ISE, "Semi-transparent PV Modules Developed Using an Industry-ready Manufacturing Process", con approfondimenti da PV Tech, "Fraunhofer ISE semi-transparent organic solar PV modules 9.26% conversion efficiency" e pv Europe, "See-through solar cells are ready for the factory line".
