Ricerca

di Pamela Pergolini 

I ricercatori di “Tor Vergata”, nell’ambito del progetto europeo “Graphene Flagship”, hanno contribuito alla realizzazione del primo parco solare di terza generazione costituito da pannelli solari basati su materiali innovativi come la perovskite e bidimensionali come il grafene, utilizzati in alternativa al silicio. I pannelli hanno dimostrato di poter alimentare l’attrezzatura di un laboratorio e, se collegati alla rete elettrica, di poter immettere nel sistema un’energia pari 546 kWh. I risultati sono stati pubblicati su “Nature Energy”.

Il parco solare a Heraklion, sull’isola di Creta, formato da pannelli il cui strato assorbitore è costituito da perovskite e le cui interfacce sono state ingegnerizzate con il grafene e altri materiali bidimensionali, è uno dei più estesi finora realizzati con questa nuova tecnologia fotovoltaica L’installazione nasce nell’ambito delle attività di trasferimento tecnologico del progetto di ricerca europeo “Graphene Flagship” che ha come obiettivo principale, realizzare nuovi dispositivi a base di grafene e altri materiali bidimensionali e testarli in applicazioni reali. Alla ricerca, pubblicata su “Nature Energy”, hanno lavorato l’Università di Roma “Tor Vergata” (Ingegneria e Polo solare CHOSE), l’Università Ellenica del Mediterraneo, Greatcell Solar Italia SRL, la start-up BeDimensional S.p.A., l’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT), l’Istituto di Struttura della Materia del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR-ISM) e l’Università di Siena.

Perovskite, bassi costi ed elevata efficienza
La tecnologia delle celle solari a perovskite è caratterizzata da bassi costi di produzione e da un’elevata efficienza di conversione, simile alle celle solari in silicio monocristallino di ultima generazione, che possono convertire circa il 26% dell’energia solare in elettricità. I materiali bidimensionali (2D) sono elementi fondamentali di questo dispositivo in quanto ne migliorano l’efficienza e, soprattutto, la durata, che è la chiave di volta verso l’industrializzazione di questa tecnologia.I test eseguiti su questi pannelli hanno dimostrato che i nuovi materiali sono vantaggiosi sia in termini di prestazioni che di impatto ambientale, rappresentando un punto di svolta per la fase di commercializzazione di questa tecnologia fotovoltaica.

I materiali 2D
«I materiali bidimensionali, come il grafene, sono costituiti da un solo o pochi strati atomici, e da diversi anni rappresentano un tema di ricerca molto interessante perché hanno proprietà differenti rispetto allo stesso materiale quando invece è composto da molti strati», spiega Sara Pescetelli, ricercatrice del Polo Solare CHOSE – Dipartimento di Ingegneria Elettronica dell’Università Roma “Tor Vergata” che ha lavorato allo studio insieme ad Antonio Agresti, ricercatore del Polo Solare CHOSE – Dipartimento di Ingegneria Elettronica dell’Università Roma “Tor Vergata”, e primi autori dello studio. «La possibilità di utilizzare in modo semplice questi nuovi materiali bidimensionali può ispirare architetture innovative per celle solari altamente efficienti. Nel caso della ricerca in questione, sui pannelli solari di terza generazione, un altro aspetto innovativo risiede indubbiamente nell’essere riusciti a integrare ben nove pannelli solari realizzando un campo fotovoltaico con un’estensione totale di 4,5 metri quadrati. Per arrivare a questo risultato – continua Sara Pescetelli – la ricerca di “Tor Vergata” si è occupata di studiare e ottimizzare l’utilizzo dei materiali bidimensionali – forniti dall’ITT – prima all’interno di una struttura di piccola area, la singola cella, per poi estenderlo a dimensioni maggiori quale quella dei moduli, fabbricandone più di 360, che costituiscono gli elementi essenziali che compongono i pannelli.
«L’inserimento dei materiali bidimensionali per ingegnerizzare le interfacce ha migliorato sia l’efficienza che la stabilità dei pannelli solari a perovskite provandone inconfutabilmente la scalabilità. Inoltre – continua Antonio Agresti, deputy leader del progetto Spear Head 5 GRAPES (progetto Graphene Core 3) – questo lavoro costituisce un importante passo avanti nel percorso di innovazione tecnologica che la “Graphene Flagship” sta portando avanti ormai da più di un decennio nel settore del fotovoltaico. Infatti le strategie sviluppate per incapsulare e laminare i pannelli di nuova generazione assieme a quelle per la messa in opera e al monitoraggio del campo fotovoltaico ne hanno dimostrato per la prima volta il funzionamento in reali condizioni operative. Questo sarà di ispirazione – continua Antonio Agresti – per l’implementazione e il test di dispositivi avveniristici come le celle tandem perovskite/silicio già oggetto di studio nel progetto GRAPES attualmente in corso, e apre la strada verso l’implementazione dei materiali bidimensionali non solo per ingegnerizzare le interfacce del dispositivo ma anche per rimpiazzare i costosi materiali attualmente utilizzati come elettrodi delle celle solari o per aumentare la resistenza di quelli attualmente usati come incapsulanti».
I pannelli, una volta realizzati, prima di essere trasportati a Creta sono stati testati in outdoor all’Università di “Tor Vergata” presso il Laboratorio del polo solare CHOSE,  il laboratorio ESTER  “Energia Solare Test e Ricerca”, coordinato dalla professoressa Cristina Cornaro, associata di “Fisica Tecnica Ambientale” presso  il Dipartimento di Ingegneria dell’Impresa di “Tor Vergata” e anche lei nel CHOSE.

Sostenibilità dei consumi e del ciclo di produzione
Una volta installati i pannelli sull’isola di Creta, sono state misurate le prestazioni e la stabilità del parco solare per nove mesi, dimostrando che la potenza generata è in grado di alimentare l’attrezzatura di laboratorio. Inoltre, hanno visto che se messo in collegamento con la rete elettrica, il parco solare potrebbe immettere nel sistema un’energia pari 546 kWh, supportando così i consumi della popolazione in modo sostenibile. Inoltre, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare che l’uso di materiali bidimensionali come il grafene è importante per modulare le proprietà delle celle solari a perovskite “non solo nei test di laboratorio ma anche su pannelli di ampia area in condizioni reali, aumentando così la maturità di questa tecnologia”, afferma Aldo Di Carlo, direttore dell’Istituto di Struttura della Materia del CNR e Coordinatore del team  di ricerca del  Polo Solare CHOSE – Dipartimento di Ingegneria Elettronica dell’Università Roma “Tor Vergata”.

Sistemi fotovoltaici nei paesi caldi
I test all’aperto del nuovo parco solare hanno condotto alla produzione di una potenza in uscita superiore a 250 W, che è simile a quella sviluppata da 60 celle di silicio cristallino assemblati in pannelli solari. Inoltre, poiché la temperatura influisce sulle prestazioni dei pannelli solari, i ricercatori hanno confrontato i nuovi pannelli di perovskite/grafene con le tecnologie presenti in commercio al variare della temperatura, osservando che i nuovi pannelli hanno una caduta di tensione a circuito aperto inferiore rispetto a quelli in silicio anche quando le temperature raggiungono i 70 °C. Questa è una caratteristica promettente che può consentire la realizzazione di sistemi fotovoltaici con efficienza di conversione elevate per applicazioni esterne soprattutto in vista del loro utilizzo nei paesi caldi. Infine, è stata eseguita una valutazione del ciclo di vita per valutare la sostenibilità dei processi di produzione, laminazione e installazione dei pannelli solari, secondo gli standard ISO 14040-14044. I dati dimostrano che produrre 1 chilowattora di elettricità con questo parco solare ottimizzato ha un’impronta ambientale inferiore di circa il 50% rispetto all’utilizzo dei mix di elettricità attualmente utilizzati in Europa.

Leggi l’articolo su “Nature Energy” Integration of two-dimensional materials-based perovskite solar panels into a stand-alone solar farm