Pubblicato su Nature Materials studio Chose su aumento efficienza celle solari con composti di carburo di titanio

Rappresentazione illustrativa dello strato fotoattivo di perovskite modificato con gli MXeni

Gli scienziati del centro CHOSE dell’Università di Roma Tor Vergata insieme ai partner di NUST MISIS (Russia) e CNR (Italia) hanno scoperto che una quantità microscopica di carburo di titanio bidimensionale, chiamata Mxene, migliora significativamente la raccolta di cariche elettriche in una cella solare a perovskite, aumentandone l’efficienza finale oltre il 20%. I risultati di questa ricerca sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Nature Materials.

La cella solare a film sottile di perovskite è una nuova promettente tecnologia fotovoltaica, che viene attivamente sviluppata in tutto il mondo come alternativa a quelle già commercializzate. Tra i tanti vantaggi, i semplici processi di produzione a basso costo: le celle solari a perovskite possono infatti essere realizzate con speciali stampanti a getto d’inchiostro, senza l’uso di processi ad alta temperatura o di alto vuoto, comunemente usati per le tradizionali celle al silicio. Un ulteriore vantaggio è la possibilità di fabbricazione su substrati di plastica flessibili, come il polietilentereftalato comune (PET). Questo permette l’integrazione del fotovoltaico a perovskite negli edifici su pareti e / o in diverse altre posizioni, come facciate e finestre curve.

Lo sforzo congiunto della comunità scientifica internazionale si focalizza nel trovare la migliore strategia per aumentare sia l’efficienza che la stabilità di questa nuova tecnologia fotovoltaica. La maggior parte delle soluzioni proposte finora riguardano l’ottimizzazione della composizione chimica della perovskite, la stabilizzazione delle interfacce dei dispositivi e l’integrazione di nuovi nanomateriali.

Un team internazionale di scienziati, guidati dal prof. Aldo Di Carlo, provenienti dal Center for Hybrid and Organic Solar Energy (CHOSE) dell’Università di Roma Tor Vergata, dal NUST MISIS, Russia e dal CNR, hanno proposto un approccio originale per progettare celle solari a perovskite altamente efficienti, basato sul drogaggio dello strato foto-attivo di perovskite con composti bidimensionali in carburo di titanio, chiamati MXeni.

“Abbiamo scoperto che gli MXenes, grazie alla loro struttura bidimensionale unica nel suo genere, possono essere utilizzati per ottimizzare le proprietà superficiali della perovskite, consentendo una nuova strategia di ottimizzazione per queste celle solari di III generazione”, commenta il professor Di Carlo.

La cella solare a film sottile di perovskite ha una struttura a sandwich, in cui le cariche si spostano da uno strato all’altro attraverso le interfacce e si raccolgono selettivamente agli elettrodi. In questo modo la luce solare viene convertita in corrente elettrica. In termini semplici, l’incorporazione degli MXeni all’interno della struttura, migliora il trasporto degli elettroni dal film assorbitore agli elettrodi, riducendo drasticamente le perdite eventualmente indotte da barriere energetiche interne.

“Per migliorare l’efficienza delle celle solari a perovskite, dobbiamo ottimizzare la struttura del dispositivo, in particolare le interfacce e le proprietà di trasporto di carica di ogni singolo strato.” – Antonio Agresti, uno degli autori, ricercatore presso Università di Roma Tor Vergata – “A questo scopo, insieme ai nostri colleghi moscoviti, abbiamo eseguito una serie di esperimenti incorporando una microscopica quantità di MXeni nella cella solare a perovskite. Di conseguenza, abbiamo ottenuto un aumento dell’efficienza dei dispositivi di oltre il 25% rispetto ai prototipi originali.”

Gli MXeni sono stati introdotti sequenzialmente nei diversi strati della cella solare di perovskite: nello strato foto-assorbente, in quello di trasporto di elettroni a base di biossido di titanio e all’interfaccia tra di essi. Dopo aver analizzato le prestazioni fotovoltaiche dei dispositivi, si è scoperto che la configurazione più efficiente è quella in cui gli MXeni sono introdotti in tutti gli strati, inclusa la loro interfaccia. I risultati sperimentali sono confermati da un’adeguata modellizzazione delle strutture ottenute.

L’unicità di questo lavoro consiste nel descrivere, per la prima volta, non solo una serie di esperimenti e i risultati ottenuti, ma anche nel fornire una chiara spiegazione dal punto di vista fisico-chimico dei meccanismi che si verificano nella cella solare a perovskite modificata con gli MXeni.

“La possibilità di utilizzare in modo semplice questi nuovi materiali bidimensionali, modificando le proprietà elettro-ottiche degli strati che formano un dispositivo elettronico in base a specifiche esigenze di progettazione,” – Sara Pescetelli, uno degli autori dell’Università di Roma Tor Vergata – “può ispirare architetture innovative per celle solari altamente efficienti o per altri dispositivi come LED e rilevatori basati sulla perovskite. ”

Attualmente, il team sta cercando di stabilizzare il dispositivo ottenuto e di aumentarne l’efficienza.

12/09 – “Biophilic & Active Energy Desing”, convegno alla Casa dell’Architettura

Alla Casa dell’Architettura, il prossimo 12 settembre, avrà luogo il convegno “Biophilic & Active Energy Design” che focalizza l’importanza dello Human Centered Design nella progettazione architettonica e che porterà a conoscenza dei partecipanti, o di coloro i quali ancora non lo conoscessero, il Biosphera Project.

Nato grazie a Mirko Taglietti, ideatore e promotore di Biosphera e amministratore di Aktivhaus, il progetto ha realizzato concept di case innovative nell’ambito della bioedilizia, inaugurando lo scorso autunno a Milano la Biosphera 3.0 Equilibrium, a cui la ricerca di Ingegneria “Tor Vergata” ha dato importante contributo con i team delle prof. Stefania Mornati, Cristina Cornaro, che partecipano al convegno, e del Polo Solare Organico della Regione Lazio CHOSE. Poco più di due anni fa, la Biosphera 1.0 fu presentata nella primavera 2017 nel corso della prima edizione della Settimana del Legno a Ingegneria “Tor Vergata”.

Il convegno intende aprire un dialogo sulle tecniche di progettazione e costruzione basate sul concetto di Human Centered Design riportando l’uomo al centro della costruzione, creando ambienti biofilici rigenerativi, rispettando l’ecosistema e trasformando gli edifici in generatori di energia.

Come dimostratore il progetto Biosphera Equilibrium rappresenta l’eccellenza assoluta nel campo delle costruzioni, pluricertificato dai principali istituti Italiani ed europei (Agenzia Casaclima, Agenzia Minergie Elvetica, Passiv Haus Institute tedesco) vincitore del premio sulla sostenibilità più ambito al mondo nel 2018 (Energy Globe Award), è un vettore per dialogare, formare ed informare i tecnici di settore sulle reali possibilità esistenti nel campo della progettazione di edifici autosufficienti a matrice rigenerativa. 45 aziende, 4 università (Univer- sità Valle D’Aosta, Università Torino, Scuola Universitaria Svizzera Italiana, Università di Roma Tor Vergata), 4 istituti di ricerca e associazioni (Isinnova, Labgrade, CHOSE-polo solare organico del Lazio, ITC-CNR) unite per creare un contenitore di vita, con il vincolo di utilizzo di soli prodotti presenti in commercio, al fine di diffondere concretamente questa modalità costruttiva nata per soddisfare le esigenze sia dei nuovi edifici che delle ristrutturazioni. Energia Zero, Sostenibilità, Biocompatibilità, Mobilità Dolce, Biofilia e rigenerazione i temi affrontati dal progetto, supportato scientificamente da un costante monitoraggio sia a livello prestazionale che a livello di impatto sulla fisiologia umana.

 

Il giorno del convegno, ma anche nei giorni precedenti e seguenti, sarà possibile visitare la Biosphera Equilibrium, presso il giardino dell’Acquario Romano, magnifica sede della Casa dell’Architettura: la presenza del concept a Roma fa parte del Road Show della struttura innovativa, in Italia e all’estero.

 

Biosphera Equilibrium: ottobre 2018, inizia il tour della casa che ‘rigenera mente e corpo’ e Ingegneria Tor Vergata partecipa al progetto

 

Partirà da ottobre 2018 e durerà due anni il tour della nuova versione di Biosphera, la casa all’avanguardia nella bioedilizia che è stata presentata nella primavera 2017 nel corso della prima edizione della Settimana del Legno a Ingegneria “Tor Vergata”.

Un concept innovativo a cui anche Ingegneria “Tor Vergata” ha contribuito con lo studio del comportamento energetico, della resistenza meccanica dei pannelli  dell’involucro esterno e con la fornitura di un pannello fotovoltaico organico.

Secondo gli organizzzatori, si tratta di una casa che riesce a rigenerare mente e corpo, la Biosphera Equilibrium, la sfida più innovativa di Biosphera project.

Viviamo circa 50 anni, il 65/70% della nostra vita, all’interno di edifici. Siamo sicuri che siano progettati a partire dalle nostre esigenze fisiche e psichiche?
Il rigenerarsi di corpo e mente, l’appagamento e il ritorno al perfetto equilibrio di tutti i sensi: è quanto prova chiunque soggiorni in Biosphera Equilibrium, un edificio costruito adottando alcune delle tecnologie più avanzate al mondo ad oggi disponibili, secondo i principi indicati dalla Biofilia per generare il massimo benessere di chi lo abita, focalizzando la progettazione non solo su autonomia energetica e massime prestazioni.
E’ stato presentato oggi mercoledì 10 ottobre a giornalisti e operatori specializzati in piazza Cesare Beccaria a Milano dove resterà installato fino al 14 ottobre.

Biosphera Equilibrium è un edificio mobile, energicamente autonomo e flessibile dalle altissime prestazioni fisiche, energetiche, ambientali e biofiliche.
Verrà testato come abitazione, scuola, ufficio e residenza sanitaria  nel corso dei prossimi 20 mesi durante un road show in Italia e Svizzera.
Chi utilizzerà l’edificio verrà sottoposto a monitoraggio fisiologico tramite un braccialetto apposito, neurologico grazie ECG e a un’indagine biofilica tramite test scritti.
Biosphera Equilibrium è in grado di produrre energia per 8.000 Kilowattora /anno, mentre per mantenere gli standard abitativi nel massimo comfort, richiede solo 2.000 Kilowattora / anno (stime annue medie). È quindi un edificio attivo che produce quattro volte più energia di quanto necessita. Parte dell’energia eccedente viene utilizzata durante il road show per alimentare un’auto elettrica.

Biosphera Project giunge con Biosphera Equilibrium alla sua terza fase, il progetto è promosso da Aktivhaus in collaborazione con numerosi enti, università e imprese allo scopo di testare le tecnologie più avanzate al mondo nell’ambito della bioedilizia con la finalità ultima di implementare le tecnologie testate in edifici di nuova costruzione. Dopo Biosphera 1.0 focalizzato sulla modularità e Biosphera 2.0 edificio attivo, focalizzato sulle prestazioni energetiche (testato a -20° e +40°) viene presentato il modulo Biosphera Equilibrium che da implementa tutto quanto realizzato in precedenza e adotta nuove tecnologie e soluzioni architettoniche allo scopo di portare a una reale rigenerazione psico-fisica che verrà studiata e monitorata.

“Quando ci troviamo all’aperto in un ambiente naturale il nostro corpo e la nostra mente si rigenerano. È la nostra esperienza a insegnarcelo e sono la psicologia, la genetica, la neurologia e la fisiologia a confermarlo scientificamente. A questo progetto hanno lavorato biologi, psicologi, architetti, ingegneri, botanici, creativi, illuminotecnici, neuroscienziati, artisti, artigiani e visionari. Lo scopo è stato realizzare un edificio dove accadano i medesimi fenomeni di rigenerazione fisica e psichica – dichiara Mirko Taglietti ideatore e promotore di Biosphera”.

Biosphera Equilibrium, durante il road show lungo due anni, sarà nel 2018 a Milano, Locarno, Spreitenbach, Rohrschach, Airolo e nel 2019 a Bolzano, Dobbiaco, Val di Non, Milano, Como, Valmorea, Bari, Roma, Verona.

Biosphera Equilibrium, installato in Piazza Cesare Beccaria a Milano, è visitabile dal 11 al 14 Ottobre dalle ore 10 alle ore 17. Guarda il VIDEO DI LANCIO

Alla progettazione e realizzazione di Biosphera Equilibrium hanno partecipatoAktivhaus come soggetto ideatore e promotore; il Comune di Milano come ente patrocinatore;  Minergie, Casaclima e Pefc come enti certificatori; l’Università della Valle d’Aosta, il Dipartimento di scienze mediche dell’Università di Torino, il Choose dell’Università Tor Vergata di Roma, il Futurfood institute, Labgrade e Ticino Energia come  enti di ricerca e associazioni; MINI, Internorm Italia, Rockwool, Artuso, Sunage, Olev, T&T, Ave, GSI control come main partner;  Agrisu, Bluemartin, Bricks4kids , Coblanco, Coelux, Dot Q, Wood Control, Gerflor , Lametal, Newtohm, Pirmin Murer, Polimax Italia, 4eservizi, RAD, Red, SIGA, Sigma coatings, Thimus, Une, Energie Naturali, Genesis, Studio Sandrini, APCAS, Lamellazione, Master Way, Sim-patia, Caesencome innovation partner.

 

Contributi di “Tor Vergata” a Biosphera 3.0 Equilibrium

La prof. Cristina Cornaro, docente di Fisica Tecnica Ambientale, afferente al Dipartimento di Ingegneria dell’Impresa, con il suo team del gruppo di ricerca ESTER, ha studiato il comportamento energetico del modulo abitativo Biosphera 3.0 Equilibrium simulando l’interazione dell’involucro edilizio con l’ambiente esterno al variare del tempo. Il comportamento del modulo abitativo è stato studiato nelle varie condizioni climatiche in cui si troverà durante il suo percorso itinerante in varie località italiane e straniere. In fase di progettazione la simulazione ha permesso di valutare la migliore soluzione per l’inserimento di innovativi materiali a transizione di fase nella stratigrafia dell’involucro. Questi materiali funzionano come accumulatori termici aumentando l’inerzia termica delle murature contribuendo a smorzare i picchi di temperatura all’interno dell’ambiente migliorando le condizioni di benessere ambientale degli occupanti. I risultati della sperimentazione sono oggetto di una tesi di laurea.

Il team della prof. Stefania Mornati, docente di Architettura Tecnica, in collaborazione con la prof. Zila Rinaldi, docente di Tecnica delle Costruzioni, (Dipartimento di Ingegneria Civile e Ingegneria Informatica) sta svolgendo una tesi di laurea incentrata sulla evoluzione dei moduli Biosphera e sulla valutazione, tramite prove di laboratorio, della resistenza meccanica dei pannelli compositi che costituiscono l’involucro del modulo.

Il Polo Solare Organico della Regione Lazio CHOSE, Centre for Hybrid and Organic Solar Energy del Dipartimento di Ingegneria Elettronica dell’Università di Roma Tor Vergata, è un centro di eccellenza nel settore del fotovoltaico di nuova generazione stampabile. Nato nel 2006 dalla volontà della Regione Lazio e dell’Università degli Studi di Roma Tor Vergata rappresenta ad oggi un riferimento nazionale ed internazionale per il fotovoltaico organico, a colorante (DSC-Dye Sensitized Solar Cells) e a perovskite. CHOSE è stato inserito recentemente dal KET (Key Emerging Technologies)-Observatory della Commissione Europea tra i Key Market. Il contributo del CHOSE al progetto Biosphera sarà rappresentato dalla fornitura di un pannello fotovoltaico in tecnologia a colorante DSC da installare sul modulo stesso che permetterà di valutare i benefici di queste nuove tecnologie e contribuirà all’aspetto di generazione elettrica autonoma. Consulta il Report europeo dei players nella tecnologia fotovoltaica a perovskite.