Il fotovoltaico si evolve, nasce quello che genera energia anche con la pioggia

All’ICMS di Siviglia un film CFₓ da 100 nanometri protegge le celle in perovskite e trasforma l’impatto delle gocce in impulsi utili per sensori, IoT e piccoli dispositivi

Un gruppo di ricercatori dell’Institute of Materials Science of Seville ha sviluppato un dispositivo sperimentale capace di raccogliere elettricità dalla radiazione solare e dall’impatto della pioggia, il tutto in un medesimo sistema. La ricerca, pubblicata su Nano Energy, riguarda celle solari in perovskite alogenata rivestite con un film fluorurato CFₓ spesso circa 100 nanometri, depositato con tecnologia al plasma. Il rivestimento, spiegano gli scienziati, svolge tre compiti simultaneamente: protegge la cella dall’umidità, mantiene alta la trasparenza ottica e offre una superficie triboelettrica capace di trasformare l’urto delle gocce in impulsi elettrici.

Il risultato interessa soprattutto sensori ambientali, stazioni meteo, piccoli sistemi IoT e apparati autonomi all’aperto. Il lavoro spagnolo indica una strada tecnica per rendere più resistenti e più versatili alcune celle di nuova generazione; la fase commerciale dei pannelli da tetto capaci di affiancare il fotovoltaico tradizionale richiederà prove di durata, scalabilità industriale e confronto sui costi.

Stando ai dati di laboratorio il nanogeneratore triboelettrico ottimizzato arriva fino a 110 volt per singolo impatto di una goccia e a una densità di potenza di circa 4 mW/cm²; nel dispositivo ibrido integrato, invece, i picchi misurati dalla componente pioggia arrivano a circa 12 volt per goccia, mentre la parte fotovoltaica resta la fonte principale di carica quando la luce è disponibile.

Perché la perovskite fa la differenza

La perovskite è una famiglia di materiali sintetici con struttura cristallina ordinata e forte capacità di assorbire la luce. Nel fotovoltaico viene studiata da anni perché permette celle sottili, leggere, potenzialmente economiche e con efficienze molto alte in laboratorio. Il suo grande problema operativo riguarda la stabilità. Umidità, ossigeno, luce intensa e sbalzi termici possono degradare gli strati attivi e ridurre la resa nel tempo. Per questo la ricerca sulle perovskiti procede su due binari inseparabili. Da una parte l’aumento dell’efficienza. Dall’altra la protezione del materiale in condizioni reali, quelle che un pannello incontra su un tetto, su un palo stradale, in una serra o su una stazione marina esposta al vento.

I ricercatori del gruppo di Siviglia hanno usato un rivestimento polimerico fluorurato, indicato come CFₓ, realizzato tramite deposizione al plasma. La tecnica lavora a temperatura ambiente, sottovuoto e senza solventi, e crea uno strato uniforme su superfici anche complesse. Lo studio attribuisce al film una trasparenza ottica superiore al 90%, un dato decisivo perché la protezione deve lasciar passare la luce verso la cella. Dopo l’incapsulamento con CFₓ, le celle campione hanno conservato prestazioni molto elevate, con dispositivi migliori arrivati a una PCE del 17,9%, cioè l’efficienza di conversione della potenza luminosa in elettricità. In test di stress ambientale, i dispositivi hanno mantenuto più del 50% dell’efficienza iniziale per 10 giorni in condizioni di alta umidità e temperatura; in un’altra prova hanno conservato l’80% delle prestazioni iniziali dopo 300 ore di illuminazione continua in ambiente umido.

Come nasce corrente dalla pioggia

La ricerca sfrutta l’effetto triboelettrico, lo stesso principio fisico che produce cariche quando due materiali entrano in contatto e poi si separano. In forma quotidiana lo si vede quando un tessuto strofinato attira piccoli frammenti di carta o quando una superficie accumula elettricità statica. In un generatore da gocce, il contatto avviene tra l’acqua e una superficie progettata per separare le cariche. La goccia cade, urta, si allarga, scorre o si distacca. Una sequenza che genera una differenza di potenziale che gli elettrodi possono raccogliere come impulso elettrico. La potenza resta piccola, eppure diventa interessante quando il bersaglio sono microcircuiti, sensori, LED o sistemi di monitoraggio che assorbono pochissima energia.

Il film CFₓ svolge quindi una funzione doppia: fa da barriera contro l’acqua e, allo stesso tempo, usa l’acqua come sorgente meccanica. Questo punto rende l’architettura diversa dai vecchi tentativi di associare moduli solari e raccoglitori da pioggia in due apparati separati. Qui lo strato è unico, sottile e compatibile con l’incapsulamento. La composizione chimica del rivestimento viene ottimizzata per aumentare la componente triboelettrica. Nella configurazione indipendente, il sistema ha prodotto picchi fino a 110 volt e ha mantenuto oltre l’85% dell’uscita iniziale dopo più di 17.000 impatti di gocce. Nel prototipo ibrido, dove lo stesso rivestimento lavora sopra la cella solare, la risposta dalla pioggia risulta più contenuta e si affianca alla produzione fotovoltaica, con picchi fino a 12 volt per goccia.

Che cosa ha dimostrato il prototipo

Lo studio descrive un sistema ibrido PSC/D-TENG, sigla che unisce le celle solari in perovskite, PSC, e i nanogeneratori triboelettrici azionati da gocce, D-TENG. In una prova di concetto, il dispositivo ha raccolto energia dalla luce e dagli impatti d’acqua in modo simultaneo. La cella solare ha raggiunto una densità di corrente di corto circuito di 11,6 mA/cm² con illuminazione pari a 0,5 sole, una condizione ridotta rispetto al pieno irraggiamento standard. La parte triboelettrica ha aggiunto impulsi elettrici collegati alle gocce. Il gruppo ha poi usato un prototipo di ricarica con supercondensatore e convertitore boost per alimentare array di LED, mostrando che la raccolta multisorgente può servire dispositivi a bassa potenza.

La distinzione sui 110 volt è importante perché il valore misura una tensione, non l’energia realmente disponibile per alimentare un apparecchio. Nel prototipo la luce resta la fonte principale, e la pioggia aggiunge impulsi utili soprattutto quando il sistema lavora con consumi molto bassi, come nel caso di sensori, piccoli circuiti o dispositivi di monitoraggio. Per trasformare l’impatto delle gocce in un servizio continuo servono anche corrente sufficiente, elettronica di conversione e accumulo. La ricerca spagnola dimostra che questi elementi possono convivere in un sistema sottile, trasparente e resistente. Il passaggio industriale dovrà misurare la resa in condizioni reali, con piogge irregolari, polvere, vento, salinità, sporco e cicli stagionali molto più lunghi delle prove di laboratorio.

Dove può servire prima

Le applicazioni più realistiche partono dai dispositivi autonomi a bassa potenza. I ricercatori citano sensori per umidità, pioggia e inquinamento, monitoraggio strutturale di ponti ed edifici, stazioni meteorologiche, agricoltura di precisione, segnaletica intelligente, illuminazione ausiliaria e sistemi distribuiti in aree remote. In città, un piccolo apparato alimentato da luce e precipitazioni potrebbe monitorare qualità dell’aria, traffico, vibrazioni o condizioni di un’infrastruttura. In campagna, lo stesso principio potrebbe supportare centraline per suolo, irrigazione o microclima. Sulle coste e nelle stazioni marine, la resistenza all’acqua e ai cicli umidi diventa parte della funzionalità, non soltanto una difesa passiva.

Fernando Núñez, ricercatore ICMS, collega il prototipo alle città intelligenti e alle aree isolate. La sua dichiarazione, tradotta fedelmente, indica applicazioni in “segnaletica, illuminazione ausiliaria autonoma o monitoraggio” e richiama anche strutture distribuite in zone remote, inaccessibili o isolate, come le stazioni marine. Carmen López, sempre dell’ICMS, presenta il lavoro come una soluzione che “combina la tecnologia fotovoltaica delle celle solari in perovskite con nanogeneratori triboelettrici” in una configurazione a film sottile. Sono parole misurate, più vicine alla dimostrazione di fattibilità che alla promessa di un prodotto già pronto.

Il nodo della produzione su larga scala

La ricerca parla anche di tecniche sostenibili e scalabili, perché la deposizione al plasma è già usata in diversi settori industriali per trattare superfici e rivestimenti. L’elemento rende il lavoro più interessante rispetto a un materiale che funziona solo in condizioni artigianali o difficili da replicare. La deposizione a temperatura ambiente evita stress termici, consente uniformità e permette di rivestire dispositivi delicati. La compatibilità con resine UV commerciali, segnalata nello studio, aiuta a immaginare futuri passaggi verso incapsulamenti più vicini alla produzione reale.

Il passaggio dal laboratorio al mercato resta la prova più severa. Servono moduli più grandi, test su mesi e anni, confronto con standard fotovoltaici, resistenza a graffi, polveri, gelo, raggi UV, sale e lavaggi. Serve anche una valutazione sul costo per watt utile, perché nei sistemi energetici contano prezzo, durata, manutenzione e resa. Il film CFₓ risponde a una parte del problema della stabilità e rappresenta un tassello tecnico significativo.

La soluzione appare più pronta come rivestimento multifunzione per dispositivi outdoor che come rivoluzione immediata dei grandi impianti solari. Il lavoro amplia il campo del fotovoltaico ibrido, indica un modo per proteggere celle vulnerabili e recuperare energia da un fenomeno naturale molto comune.

Una tecnologia utile se resta misurata

Il prototipo dell’ICMS ribalta l’idea della pioggia come pura perdita per il solare, però lo fa su scala di laboratorio e con obiettivi realistici. Il film da 100 nanometri protegge la perovskite, mantiene alta la trasparenza, produce impulsi triboelettrici e sostiene piccoli carichi tramite elettronica di accumulo e conversione. La parte solare continua a dare il contributo principale, la pioggia aggiunge energia e funzionalità nei momenti in cui l’ambiente offre movimento d’acqua invece di luce intensa.

L’innovazione punta a rendere i dispositivi energetici più resilienti, distribuiti e autonomi, senza promettere la cancellazione dei limiti fisici delle fonti rinnovabili. La sfida sarà trasformare quei milliwatt in continuità di servizio, durata industriale e costi sostenibili. Solo allora i rain panels potranno uscire dal laboratorio e diventare una tecnologia visibile nella transizione energetica distribuita.

A cura della Redazione GTNews

Link utili:
Water-resistant hybrid perovskite solar cell – drop triboelectric energy harvester – ScienceDirect

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.