Finestre solari, una scienziata italiana apre la strada al vetro fotovoltaico

Celle ultrasottili in perovskite, spesse fino a 10 nanometri, potrebbero rendere attive facciate, display e superfici trasparenti oggi inutilizzate, producendo elettricità

Parla italiano la cella fotovoltaica quasi invisibile che può trasformare le finestre in piccoli generatori di energia pulita. A guidare il gruppo di ricerca della Nanyang Technological University di Singapore è Annalisa Bruno, scienziata formata all’Università di Napoli Federico II e oggi Associate Professor nell’ateneo asiatico, dove lavora sulle tecnologie solari di nuova generazione. Il risultato, pubblicato su ACS Energy Letters, riguarda celle solari in perovskite con strati assorbenti spessi fino a 10 nanometri, circa 10.000 volte più sottili di un capello umano. La loro particolarità è nella capacità di produrre elettricità restando abbastanza sottili e discrete da poter essere integrate, almeno in prospettiva, in vetri, facciate, display e superfici architettoniche oggi inutilizzate.

Al momento, evidenziano gli stessi ricercatori, la tecnologia non è sufficientemente matura dal poter essere integrata all’interno di finestre fotovoltaiche, ma la ricerca sembra aver risolto uno dei nodi più importanti del solare urbano. Produrre energia senza consumare nuovo suolo e senza trasformare ogni edificio in una superficie tecnica visibile. Tetti e impianti a terra continueranno ad avere un ruolo centrale, ma in un futuro non lontano, molte aree urbane potranno godere di sistemi energetici oggi inimmaginabili.

Che cosa hanno creato i ricercatori

Le celle sviluppate alla NTU sono realizzate con materiali appartenenti alla famiglia delle perovskiti, semiconduttori molto studiati perché possono assorbire la luce con strati estremamente sottili e perché consentono di modulare le proprietà ottiche del dispositivo. In pratica, i ricercatori possono progettare celle più opache, orientate alla massima produzione elettrica, oppure dispositivi semitrasparenti, capaci di lasciare passare una quota significativa di luce visibile.

Il lavoro del gruppo guidato da Annalisa Bruno si concentra proprio su questo equilibrio. Una finestra non può comportarsi come un normale pannello fotovoltaico da tetto, perché la sua funzione primaria deve restare quella di illuminare gli ambienti e garantire all’edificio una funzione architettonica compatibile con l’edificio. La novità sta quindi nella possibilità di ridurre lo spessore dello strato attivo fino a pochi nanometri, mantenendo prestazioni interessanti per una tecnologia quasi invisibile.

Secondo i dati diffusi dalla NTU, nelle versioni opache le celle con strati da 10, 30 e 60 nanometri è stato possibile raggiungere efficienze di circa 7%, 11% e 12%. Nella versione semitrasparente, una cella con strato da 60 nanometri ha lasciato passare circa il 41% della luce visibile e ha ottenuto un’efficienza di conversione del 7,6%. I valori sono ben lontani da quelli dei comuni pannelli in silicio, ma il risultato è comunque importante. Il nuovo “fotovoltaico da finestra” non mira a sostituire i comuni pannelli, bensì trasformare superfici oggi passive in superfici capaci di produrre energia elettricità.

Come funziona una cella in perovskite

Una cella solare converte una parte della radiazione luminosa in elettricità. Quando la luce colpisce il materiale attivo, genera cariche elettriche che vengono raccolte dagli strati del dispositivo e indirizzate verso un circuito esterno. Nel silicio tradizionale questo processo avviene in moduli rigidi e relativamente spessi. Nelle perovskiti, invece, la capacità di assorbire la luce può essere ottenuta con strati molto più sottili.

Questa caratteristica apre possibilità diverse. Un materiale fotovoltaico sottile può essere depositato su superfici leggere, integrate, flessibili o semitrasparenti. Può essere adattato a facciate, vetri, schermature solari e dispositivi elettronici. La sfida è conservare efficienza, stabilità e uniformità anche quando lo strato attivo diventa quasi impercettibile.

Nel caso della ricerca NTU, i materiali sono stati depositati con un processo chiamato evaporazione termica. I componenti vengono riscaldati in una camera a vuoto fino a evaporare, poi si depositano su un supporto formando film sottilissimi e controllati. Questo metodo permette di regolare con precisione lo spessore dello strato attivo e di ottenere superfici uniformi, un requisito essenziale quando si lavora su materiali destinati, almeno in prospettiva, all’integrazione architettonica.

Perché le finestre sono così importanti

Gli edifici consumano una quota enorme dell’energia globale e le città hanno bisogno di soluzioni che producano elettricità dove l’energia viene usata. Per questo il fotovoltaico integrato nell’architettura è diventato uno dei campi più interessanti della ricerca energetica. Un edificio non deve soltanto consumare meno, isolare meglio e ridurre gli sprechi. Può anche diventare una piattaforma di produzione distribuita.

Le finestre hanno un ruolo particolare perché sono numerose, esposte alla luce e presenti soprattutto negli edifici dove lo spazio sul tetto non basta a coprire i consumi. Grattacieli, uffici, centri commerciali, aeroporti, scuole, ospedali e grandi strutture pubbliche possono avere migliaia di metri quadrati di superfici vetrate. Se anche una parte di queste superfici diventasse capace di generare energia, il contributo complessivo potrebbe diventare rilevante.

La NTU riporta una stima preliminare secondo cui l’applicazione della tecnologia su un grande edificio con facciata vetrata potrebbe arrivare, in teoria, a generare diverse centinaia di megawattora all’anno, a seconda dell’area disponibile, dell’esposizione e dell’orientamento. L’università paragona questo ordine di grandezza al consumo annuo di circa 100 appartamenti di quattro stanze nel contesto abitativo di Singapore.

Una tecnologia pensata per le città dense

Il fotovoltaico tradizionale funziona molto bene quando dispone di superfici ampie, orientate correttamente e libere da ombre: nei centri urbani queste condizioni non sono sempre disponibili. I tetti possono essere piccoli rispetto alla domanda energetica dell’edificio, già occupati da impianti tecnici, vincolati da norme architettoniche o poco esposti. Le facciate verticali, invece, rappresentano una superficie molto più estesa, anche se ricevono luce in modo diverso rispetto a un tetto.

Le celle quasi invisibili in perovskite potrebbero essere utili proprio in questo contesto. Possono lavorare anche con luce indiretta o diffusa, una condizione frequente negli ambienti urbani, dove edifici vicini, ombre, orientamento delle strade e riflessi modificano continuamente la quantità di radiazione disponibile. La produzione di una singola finestra sarebbe limitata, ma il vantaggio nasce dalla somma di molte superfici distribuite.

Il valore della tecnologia non si misura soltanto in kilowattora. Una facciata fotovoltaica semitrasparente potrebbe contribuire a ridurre il prelievo dalla rete durante il giorno, alimentare sistemi ausiliari, sensori, illuminazione, schermature intelligenti o dispositivi di monitoraggio. In un edificio moderno, dove la gestione energetica è sempre più digitale, anche produzioni diffuse e non enormi possono avere un ruolo utile.

Dove potrebbero essere usate

Il primo campo di applicazione è il fotovoltaico integrato negli edifici, spesso indicato con la sigla BIPV. In questo caso la cella non viene aggiunta come elemento separato, ma diventa parte dell’involucro edilizio. Una facciata può proteggere, filtrare la luce, contribuire all’isolamento e produrre elettricità. Le celle ultrasottili potrebbero essere integrate in vetri leggermente colorati, finestre, facciate continue, coperture trasparenti e schermature solari.

Un secondo ambito riguarda i veicoli. Vetri, tettucci e superfici trasparenti non renderebbero autonoma un’auto elettrica, ma potrebbero alimentare funzioni a basso consumo, sensori, ventilazione, sistemi di bordo o dispositivi di mantenimento durante le soste. Lo stesso principio potrebbe interessare autobus, treni, imbarcazioni, mezzi agricoli e veicoli speciali, dove ogni superficie esposta alla luce può contribuire a piccoli fabbisogni energetici.

Un terzo campo riguarda i dispositivi elettronici. Smartwatch, sensori ambientali, dispositivi indossabili, piccoli schermi, oggetti connessi e strumenti portatili hanno bisogno di energia continua, spesso in quantità ridotte. Celle semitrasparenti e leggere potrebbero integrare le batterie, allungare l’autonomia o alimentare funzioni specifiche quando il dispositivo è esposto alla luce.

C’è poi il settore delle serre agricole, uno degli ambiti più delicati e promettenti. In una serra, la luce non serve soltanto a produrre elettricità, ma soprattutto a far crescere le piante. Una cella semitrasparente deve quindi lasciare passare le lunghezze d’onda utili alla fotosintesi e raccogliere solo una parte della radiazione disponibile. Per questo l’applicazione agricola richiede studi specifici su colture, spettro luminoso, temperatura interna e resa produttiva.

Perché non sostituisce il fotovoltaico classico

Le celle solari quasi invisibili non vanno presentate come una tecnologia destinata a mandare in pensione i pannelli tradizionali. I moduli in silicio restano oggi più maturi, più efficienti, più affidabili e già disponibili su scala industriale. Chi vuole produrre molta energia da un tetto ben esposto continuerà a trovare nel fotovoltaico classico la soluzione principale.

La novità delle celle NTU riguarda un altro spazio di utilizzo. Le superfici trasparenti o architettonicamente sensibili non possono essere coperte con pannelli neri o opachi. Un vetro fotovoltaico semitrasparente può invece produrre meno energia per metro quadrato, ma farlo dove un pannello tradizionale non potrebbe essere installato. È una logica di integrazione, non di sostituzione.

In futuro un edificio efficiente potrebbe combinare più tecnologie. Pannelli ad alta efficienza sul tetto, facciate semitrasparenti, schermature solari attive, sistemi di accumulo, pompe di calore, gestione intelligente dei consumi e sensori distribuiti potrebbero lavorare insieme. Ogni superficie contribuirebbe secondo la propria funzione, il proprio orientamento e la propria esposizione.

I limiti da superare

Il risultato scientifico è importante, ma il salto dal laboratorio al mercato richiede verifiche, e probabilmente moltissimi anni di lavoro. Le celle in perovskite devono dimostrare stabilità nel tempo, resistenza all’umidità, al calore, ai raggi ultravioletti e agli sbalzi termici. Non solo: una finestra fotovoltaica deve restare efficiente per anni, conservare trasparenza e sicurezza, integrarsi con vetri stratificati, infissi, norme edilizie e impianti elettrici.

Il tema della durata è uno dei punti più osservati nel fotovoltaico in perovskite. Le prestazioni iniziali possono essere molto promettenti, ma una tecnologia destinata agli edifici deve affrontare condizioni molto più severe rispetto a quelle di laboratorio.

C’è anche il problema della produzione su grandi superfici. Ad oggi gli scienziati hanno dato vita ad un piccolo dispositivo sperimentale, che proprio per le sue dimensioni può essere controllato con grande precisione. Una facciata richiede invece uniformità, costi sostenibili, basso numero di difetti e garanzie industriali. Gli stessi ricercatori indicano tra i prossimi passaggi la verifica della durabilità, della stabilità a lungo termine e delle prestazioni su aree più grandi. La NTU segnala anche il deposito di un brevetto attraverso NTUitive e contatti con aziende per validare e standardizzare il processo produttivo.

La questione ambientale

Una finestra capace di produrre energia pulita deve essere valutata lungo tutto il ciclo di vita. La produzione del materiale, la durata, la manutenzione e – ultima ma forse la più importante – il fine vita sono elementi decisivi. Il vantaggio delle celle ultrasottili è l’uso di quantità molto ridotte di materiale attivo.

Resta aperto anche il tema della composizione chimica delle perovskiti. Molte tecnologie basate su questo materiale contengono elementi che richiedono attenzione. Per questo servono incapsulamenti robusti, protocolli di recupero e regole chiare, anche per la filiera del riciclo.

Link:
ACS Energy Letters

Roberto Zonca

Roberto Zonca è giornalista professionista, attivo nell’informazione digitale dal 2000. Ha lavorato per oltre venticinque anni nella redazione di Tiscali News, testata considerata tra le esperienze storiche del giornalismo online italiano, nata nella stagione pionieristica del web e cresciuta insieme alla trasformazione digitale del Paese. Oggi dirige GiornaleTecnologico.net.