Domotica e IoT: celle fotovoltaiche ultrasottili e ultraleggere per Interni
La ricerca di CHOSE - Polo Solare e Ingegneria Elettronica "Tor Vergata" su "Cell Reports Physical Science"
Flessibili e pieghevoli le celle fotovoltaiche pensate per gli ambienti interni sono realizzate in Perovskite ad alta efficienza su vetro ultrasottile curvabile. Illuminate da una lampada da interni le celle forniscono energia a sensori wireless autonomi, elettronica a basso consumo per uso domestico, case intelligenti e Internet delle Cose (IoT). I risultati di una ricerca su questi nuovi dispositivi ultrasottili e ultraleggeri, frutto della collaborazione internazionale tra il Polo Solare organico dell’Università Roma “Tor Vergata”, il Gruppo di Ingegneria Idraulica e Sviluppo Agrario dell’Università Surcolombiana (Colombia) e l’Istituto Fraunhofer per l’Elettronica Organica, la Tecnologia dei Fasci Elettronici e del Plasma (Germania) sono stati appena pubblicati sulla rivista “Cell Reports Physical Science”.
Nei prossimi decenni si prevede che miliardi di sensori wireless saranno installati negli ambienti interni, anche se possiamo dire che la rivoluzione è già in atto e include lo sviluppo di elettronica a basso consumo energetico per il mercato, case intelligenti, domotica e Internet delle Cose. Tutti questi elementi richiedono, per la loro alimentazione, dispositivi di raccolta di energia efficienti e facili da integrare. Un team internazionale costituito da ricercatori provenienti dall’Italia, dalla Colombia e dalla Germania ha appena pubblicato l’articolo “Perovskite Photovoltaics on Roll-To-Roll Coated Ultra-thin Glass as Flexible High-Efficiency Indoor Power-Generators” (Dispositivi Fotovoltaici di Perovskite su Vetro Ultrasottile, Rivestiti con il Metodo Roll-to-Roll, quali Generatori di Alta Efficienza per Uso Interno). L’articolo apparso su Cell Reports Physical Science, la rivista delle Scienze Fisiche ad accesso aperto della Cell Press, evidenzia i progressi compiuti nel campo delle fonti di energia fotovoltaica per uso interno su substrati flessibili, pieghevoli e ultrasottili. Tali fonti hanno il potenziale per facilitare queste innovazioni tecnologiche dal momento che possono fornire energia sufficiente ai componenti elettronici a bassa potenza, pur rimanendo piccoli, convenienti ed economici. Inoltre, questo tipo di generazione di energia eliminerà la necessità di batterie, la cui sostituzione implica costi e lavoro, e garantirà una integrazione molto agevole.
«Le celle fotovoltaiche – spiega Thomas Brown, professore associato, Dipartimento di Ingegneria Elettronica dell’Università di Roma "Tor Vergata", Centre for Hybrid and Organic Solar Energy (CHOSE) e alla guida del gruppo di ricerca di “Tor Vergata” - devono essere sviluppate su substrati flessibili sottili che possono offrire prestazioni eccellenti sotto l'illuminazione artificiale interna con lo spettro e i livelli di illuminazione tipici di case, negozi e uffici (cioè 100-500 lux). Questi valori sono tra 2 e 3 ordini di grandezza inferiori a quelli rilevati all'aperto sotto il sole e che vengono utilizzati come condizioni di misura standard per le tipiche celle fotovoltaiche da esterni».
Il team internazionale riporta la possibilità di generare energia in ambienti interni usando celle fotovoltaiche flessibili di perovskite, fabbricate su substrati di vetro flessibile ultra-sottile spessi solo 100 micron e rivestiti di ITO (ossido di indio e stagno). L’ossido di indio e stagno viene depositato con il metodo roll-to-roll, un particolare processo di stampa chiamato “fabbricazione bobina a bobina”, con eccellente coefficiente di trasmissione (> 80%), resistenza ohmica (13 Ω/quadrato) e flessibilità, superando procedure di piegatura 1.600 volte con curvatura di 20,5 mm.
«Abbiamo ottimizzato le celle fotovoltaiche di perovskite su vetro flessibile ultrasottile, incorporando un'impalcatura mesoporosa su strati compatti di SnO2, che offrono un salto in avanti nell’efficienza, raggiungendo il 20,6% (ad una potenza specifica di 16,7 μW/cm2), e il 22,6% (con 35,0 μW/cm2) sotto livelli di illuminazione LED rispettivamente di 200 e 400 lux», spiegano Sergio Castro-Hermosa e Giulia Lucarelli, studenti di dottorato di Ingegneria Elettronica al CHOSE nel team di ricerca di “Tor Vergata” guidato dal Prof. Thomas Brown.
Le efficienze ottenute rappresentano le più elevate riportate per qualsiasi tecnologia di celle fotovoltaiche flessibili e pieghevoli per interni, oltre a superare del 60-90% le precedenti celle di perovskite su substrati flessibili. Le potenze specifiche in Watt erogate per grammo di peso (W/g) sotto lampade da interni sono superiori del 40-55% rispetto alla loro controparte su film plastici in PET, e sono di un ordine di grandezza superiore a quelle su vetro rigido.
«Queste cifre – sottolinea il Prof. Thomas Brown – evidenziano la grande potenzialità di integrazione di questi dispositivi ultra-sottili e ultra-leggeri nei componenti elettronici per interni. Tutti gli strati attivi delle celle fotovoltaiche di perovskite sono stati depositati a bassa temperatura e mediante processi di deposizione in soluzione liquida, il che significa che la fabbricazione roll-to-roll di dispositivi su vetro flessibile ultrasottile può essere implementata non solo per lo strato ITO ma in futuro anche per tutti gli altri strati mediante tecniche di stampa».
«Inoltre - aggiunge Brown - il vetro, anche nella sua forma flessibile, crea una barriera eccezionalmente efficace contro la permeazione di quei gas noti per la tendenza a far degradare i materiali a perovskite. Ciò contribuisce a poter rendere questo tipo di tecnologia un candidato chiave per l'alimentazione dell'elettronica per ambienti interni del futuro».
I membri del progetto: CHOSE (Centre for Hybrid and Organic Solar Energy) – Il Polo Solare Organico, Dipartimento di Ingegneria Elettronica dell’Università di Roma Tor Vergata, GHIDA (Gruppo di Ingegneria Idraulica e Sviluppo Agrario), Facoltà di Ingegneria, Universidad Surcolombiana, Neiva, Colombia e FEP (L’Istituto Fraunhofer per l’Elettronica Organica, la Tecnologia dei Fasci Elettronici e del Plasma), Dresda, Germania.
Il Polo Solare Organico (CHOSE) è stato fondato nel 2006 a seguito della volontà della Regione Lazio e dell'Università di Roma Tor Vergata di creare un centro di eccellenza nel campo del fotovoltaico di nuova generazione. Il CHOSE è distribuito in diversi laboratori, tra i quali il nuovo laboratorio principale all'interno del Campus dell'Università di Roma Tor Vergata. Quest'ultimo è costituito da un laboratorio di oltre 400 metri quadrati che ospita apparecchiature per la fabbricazione e la caratterizzazione di celle, moduli e pannelli fotovoltaici organici, ibridi, e a perovskite.
Presso il CHOSE lavorano più di 25-30 ricercatori che includono studenti laureati, dottorandi e staff. Il CHOSE partecipa a numerose collaborazioni a livello regionale, nazionale e internazionale. Gli obiettivi principali del CHOSE sono lo sviluppo di processi di fabbricazione di dispositivi solari organici e ibridi organici/inorganici, la definizione di processi per l'industrializzazione di queste innovative tecnologie fotovoltaiche, il trasferimento tecnologico di queste e lo sviluppo di applicazioni fotovoltaiche in collaborazione con istituti e aziende sia a livello nazionale che internazionale.
A cura dell'Ufficio Stampa di Ateneo