Le celle solari trasparenti stanno rivoluzionando il modo in cui gli edifici generano energia integrando senza interruzioni in finestre e facciate. Queste tecnologie innovative permettono alle strutture di produrre energia rinnovabile senza compromettere l'estetica o la luce naturale. Come le popolazioni urbane crescono e la domanda di soluzioni costruttive sostenibili intensifica, i codici fotovoltaici trasparenti (TPV) offrono un approccio trasformativo per trasformare ogni superficie di vetro in un generatore di energia.

Cosa sono le celle solari trasparenti?

Le celle solari trasparenti, note anche come pannelli solari trasparenti o fotovoltaici semitrasparenti, sono una classe di dispositivi fotovoltaici progettati per essere sia funzionali che visivamente poco ostrusive. Convertono la luce solare in elettricità, permettendo una parte significativa della luce visibile di passare attraverso, rendendoli ideali per finestre, lucernari, pareti di tenda e intere facciate di vetro.

Il principio fondamentale consiste nell'assorbire selettivamente le lunghezze d'onda ultraviolette (UV) e quasi infrarate (NIR), mentre nella trasmissione della luce visibile. I primi prototipi utilizzati tecnologie AV sottili come le cellule solari sensibilizzate a tinte o ammorbide (DSSC), ma gli approcci moderni sfruttano i semiconduttori organici, i perovskites e i punti quantici per ottenere prestazioni superiori.

A differenza dei pannelli tradizionali che richiedono strutture dedicate allo spazio e al montaggio, le celle solari trasparenti possono essere laminate direttamente su substrati di vetro o incorporate in unità a doppio o triplo effetto, eliminando la necessità di un uso supplementare del terreno e trasformando la superficie più grande dell'edificio, le sue finestre, in un asset di energia distribuito.

Le ultime innovazioni in tecnologia

Negli ultimi cinque anni, la ricerca sulle celle solari trasparenti ha accelerato notevolmente, guidato da scoperte scientifiche materiali e da una crescente domanda di edifici a zero zero netti.

Fotovoltaico organico (OPV)

I fotovoltaici organici utilizzano polimeri a base di carbonio e piccole molecole come strato attivo. Questi materiali possono essere chimicamente sintonizzati per assorbire bande specifiche dello spettro solare, rendendoli ideali per applicazioni trasparenti. I ricercatori di istituzioni come il 65% del Laboratorio Nazionale di Energia Rinnovabile (NREL)] hanno sviluppato cellule OPV quasi trasparenti con efficienze superiori al 12% in condizioni di laboratorio.

Le recenti innovazioni si concentrano sulla produzione di rulli a rulli di grandi dimensioni, che riduce i costi di produzione. Ad esempio, la startup tedesca Heliatek[] produce film OPV ultra-sottili che possono essere applicati al vetro esistente. Un altro sviluppo notevole è l'uso di accettatori non-fullerene (NFAs), che hanno aumentato la stabilità e l'efficienza dei OPV trasparenti.

Perovskite celle solari

Per applicazioni trasparenti, i ricercatori ingegnere strati di perovskite sottili – spesso solo un paio di centinaia di nanometri di spessore – per consentire il passaggio leggero.

Con l'impilamento di una cella trasparente perovskite sopra una cella inferiore in silicio o CIGS, gli sviluppatori possono raccogliere simultaneamente luce UV/visibile nello strato superiore e NIR/infrared nello strato inferiore. Questo approccio aumenta l'efficienza generale del sistema oltre il 29% mentre la cella superiore rimane per lo più trasparente.

Tecnologie di Quantum Dot

I punti di riferimento (QD) sono cristalli semiconduttori di nanoscala, le cui proprietà ottiche cambiano con dimensioni. Questa capacità consente un controllo preciso su cui vengono assorbite le lunghezze d'onda e che vengono trasmesse. Per le celle solari trasparenti, i QD possono essere progettati per catturare la luce infrarossa lasciando lo spettro visibile quasi intatto. I ricercatori del Laboratorio Nazionale di emissione di Lawrence Berkeley del 5% hanno prodotto finestre quantificate

Grazie alla scelta delle strutture a guscio core QD (ad esempio CdSe/CdS o PbS), i produttori possono produrre finestre che sembrano tradizionali vetri stagnati, generando elettricità. La stampa a rulli inchiostri QD è in fase di sviluppo, promettendo una produzione a basso costo. Tuttavia, la sfida è ridurre l'uso di metalli pesanti tossici come i recenti cadmi

Vantaggi dell'integrazione solare trasparente

L'adozione di celle solari trasparenti in buste di costruzione offre una vasta gamma di vantaggi che vanno oltre la semplice generazione di energia.

Efficienza energetica e Potenziale Net‐Zero

Con la copertura di finestre e facciate con fotovoltaici trasparenti, una struttura può compensare una parte sostanziale della sua domanda di energia elettrica. Le simulazioni del Joint Research Centre della Commissione Europea indicano che un edificio di uffici a metà percorso con copertura BIPV del 40% sulle facciate sud e ovest potrebbe generare abbastanza energia per coprire il 30-50% delle sue esigenze energetiche annuali.

Flessibilità architettonica e estetica

I pannelli solari tradizionali sono ingombranti, riflettenti e spesso si scontrano con il design architettonico. Le celle solari trasparenti, al contrario, possono essere prodotte in varie tonalità, opacità e modelli. Possono imitare il vetro basso-e convenzionale o anche produrre facciate colorate che cambiano l'aspetto con l'angolo del sole.

Sviluppo sostenibile e riduzione delle impronte di carbonio

La tecnologia supporta anche i principi dell’economia circolare quando progettati con materiali riciclabili. Inoltre, le finestre che producono energia possono contribuire a costruire punti verso certificazioni come LEED, BREEAM e Passive House. Come le città cercano di decarbonizzare, il vetro solare trasparente diventa una tecnologia chiave per la raccolta solare urbana senza ulteriori interventi.

Gestione termica e riduzione del ghiacciaio

Alcune tecnologie solari trasparenti, in particolare quelle che utilizzano perovskite OPV o per film sottile, assorbiscono naturalmente la luce infrarossa, lo stesso calore che provoca il surriscaldamento interno. Questo assorbimento riduce il guadagno di calore solare attraverso le finestre, riducendo il carico sui sistemi di condizionamento dell'aria.

Sfide e limitazioni

Nonostante la promessa, diversi ostacoli tecnici ed economici devono essere superati prima che le celle solari trasparenti diventino onnipresenti.

Efficienza Trade-offs

Il principale ostacolo tra trasparenza ed efficienza rimane il singolo ostacolo più grande: ogni punto percentuale di trasmissione luminosa visibile supplementare significa meno luce viene assorbito per la generazione di energia elettrica. Le attuali celle solari trasparenti raggiungono efficienze nell'intervallo 1-12%, rispetto al 20-22% per i pannelli di silicio concentrati monocristallino di classe migliore.

Costo e scalabilità della produzione

La produzione di celle solari trasparenti richiede spesso materiali e processi specializzati che sono più costosi della produzione di vetro tradizionale. Ad esempio, la deposizione sottovuoto di strati perovskiti o la sintesi di punti quantici di alta qualità aggiunge i costi. Mentre OPV può essere stampato a rulli, la sua efficienza e la durata sono ancora inferiori al silicio.

Durata e affidabilità a lungo termine

I prodotti solari integrati da edifici devono durare 25-30 anni di esposizione agli estremi di temperatura, all'umidità, alle radiazioni UV e allo stress meccanico (ad esempio, ai carichi eolici, al ciclo termico). Molti materiali solari trasparenti, soprattutto perovskites e semiconduttori organici, si degradano più velocemente del silicio. Le strategie di incapsulamento utilizzando film barriera o doppio vetro possono prolungare la vita, ma aggiungono complessità e costi.

Problemi di normazione e standardizzazione

In molte giurisdizioni, il vetro BIPV deve soddisfare sia i requisiti di vetrate strutturali (ad esempio, per la resistenza agli urti e lo stress termico) che le normative di sicurezza elettrica (ad esempio, per il rischio di incendio e la protezione da arco-fault). La mancanza di standard internazionali armonizzati crea l'incertezza per i produttori e rallenta l'adozione.

Le tendenze e le tendenze della ricerca

Il prossimo decennio vedrà concertati sforzi di ricerca volti a superare i limiti sopra descritti.

Architetture ibride e multigiunti

La combinazione di diversi materiali assorbenti in configurazioni tandem o multijunction può aumentare l'efficienza complessiva mantenendo una buona trasparenza. Ad esempio, impilare una cella perovskite a banda larga sulla parte superiore di un OPV a banda stretta o CIGS cellulare raccoglie un spettro più ampio. I ricercatori a ]KAUST]] hanno dimostrato un taovskite a quattro termini del 25%

Concentratori solari luminosi (LSCs)

I LSC sono un'alternativa al fotovoltaico a film sottile, sono costituiti da una piastra trasparente (tipicamente vetro o acrilico) doppiata con coloranti luminescenti o punti quantici. I coloranti assorbono la luce incidente e la riemettono a una lunghezza d'onda più lunga, che viene poi guidata attraverso una riflessione interna totale ad una piccola cellula fotovoltaica montata al bordo della piastra.

Smart e Switchable trasparente di Windows solare

Integrando la funzionalità elettrocromatica o termocromatica nelle celle solari trasparenti, si possono regolare dinamicamente la loro potenza e la loro potenza. Ad esempio, una cella termocromatica perovskite può diventare più trasparente nei giorni caldi per ridurre il 60% del calore, passando ad una modalità di raccolta stagnata, massimizzante di potenza durante le ore più fredde.

Tecniche di fabbricazione avanzate

Per ridurre i costi, i ricercatori stanno sviluppando tecniche di lavorazione basate sulla soluzione che possono essere scalate in grandi aree. Il rivestimento di Slot-die, la pirolisi a spruzzo e la stampa a getto d'inchiostro sono stati raffinati per la deposizione OPV e perovskite.

Disegni biomimetici e ispirati alla natura

Alcune scale di scarafaggio e ali di farfalla presentano strutture fotoniche che producono un colore sorprendente senza assorbire luce molto visibile. I ricercatori stanno esplorando superfici nanostrutturate che imitano queste strutture per migliorare la trapping della luce nei raggi UV e NIR senza pregiudicare la trasparenza. Tali fotonici di ispirazione bio potrebbero sollevare il soffitto di efficienza delle celle solari trasparenti senza aggiungere strati voluminosi.

Conclusioni

Attraverso la trasformazione di finestre e facciate in generatori di potenza attivi, queste tecnologie sbloccano un potenziale senza precedenti per la generazione di energia rinnovabile distribuita in ambienti urbani densi. Mentre i prodotti attuali affrontano ancora le sfide di efficienza, costo e durata, il ritmo dell'innovazione suggerisce una rapida maturazione. Con un investimento sostenuto nella ricerca dei materiali, nella produzione scalabile e nei test standardizzati, le celle solari trasparenti sono in grado di diventare una caratteristica standard nell'architettura sostenibile.