La finestra che si trasforma in pannello fotovoltaico

Sembrano comuni vetri per finestre, in realtà sono lastre di plastica con speciali nanoparticelle fluorescenti che catturano e concentrano la luce, trasformando la finestra in un pannello solare. È il frutto del lavoro di un team di ricerca del Dipartimento di Scienza dei Materiali dell’Università di Milano-Bicocca coordinato da Francesco Meinardi e Sergio Brovelli, in collaborazione con il gruppo di Victor Klimov del Los Alamos National Laboratory (USA) e con Hunter McDaniel di UbiQD, azienda che ha messo a punto un nuovo tipo di concentratori solari luminescenti (luminescent solar concentrators, LSC).

Gli LSC sono lastre di plastica o vetro, in cui sono incorporate speciali nanoparticelle che assorbono la luce solare e la riemettono all’interno della lastra. Per trasformare le lastre in generatori di energia pulita, la luce viene fatta convogliare verso i bordi sfruttando il fenomeno della riflessione totale interna e trasformata in energia elettrica da piccole celle solari. In questo modo, anche una finestra parzialmente trasparente diventa un generatore di elettricità capace di alimentare il computer, il condizionatore dell’aria o l’illuminazione di una casa o di un ufficio.

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Efficienti e incolore
«Affinché questa tecnologia potesse uscire dai laboratori di ricerca ed esprimere il suo potenziale nell’edilizia sostenibile è stato necessario abbandonare schemi composizionali delle nanoparticelle dati per scontati fino a ieri», spiega Francesco Meinardi. «Invece di continuare a lavorare con i classici cristalli semiconduttori a base di metalli pesanti, come il cadmio o il piombo, abbiamo realizzato nanoparticelle costituite da leghe di più elementi, riuscendo a ottenere concentratori non tossici, con straordinarie capacità di assorbimento della luce del sole». Queste lastre, infatti, assorbono la luce da tutto lo spettro solare – non solo dal rosso, come avviene nei tradizionali moduli a celle di silicio – e al tempo stesso non riassorbono la loro stessa luminescenza. «In questo modo abbiamo coniugato le elevate efficienze e le grandi dimensioni richieste per la costruzione di elementi architettonici reali», continua Meinardi. «Altro aspetto importante, le lastre sono incolore».

La caratteristica, mai raggiunta finora, di aumentare grandemente l’efficienza fotovoltaica e di ottenere lastre essenzialmente incolori, molto simili alle tipiche lenti degli occhiali da sole grigio-brune, «Fa sì che queste nuove finestre fotovoltaiche si integrino in modo “invisibile” nel contesto urbano», sottolinea Francesco Carulli, che ha lavorato al progetto durante la sua tesi di Laurea in Scienza dei Materiali, per la quale è stato insignito del premio “Technology for human beings” della Prismian Group.

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Ideali per l’edilizia sostenibile
I nuovi vetri fotovoltaici sviluppati dal team Bicocca-Los Alamos, «Di cui avevamo fornito la prova di principio solo un anno fa», spiega Sergio Brovelli «oggi è una realtà facilmente scalabile per la produzione industriale, e potrà essere immediatamente utilizzata nella green architecture e nella building sustainability». Secondo i ricercatori, con questi nuovi nano-materiali sarà possibile realizzare a breve finestre fotovoltaiche, o altri elementi architettonici flessibili e semi-trasparenti, per convertire non solo i tetti, ma tutte le parti di un edificio in generatori di energia solare, come sempre più fondamentale nei contesti a elevata urbanizzazione. «Le nostre stime indicano che sostituendo le vetrate tradizionali di un grattacielo come lo Shard di Londra con i nostri concentratori brevettati, si genererebbe l’energia necessaria alla totale auto-sostenibilità di circa 300 appartamenti. Aggiungete a queste cifre il risparmio energetico derivante dal ridotto ricorso al condizionamento ambientale, grazie all’assorbimento della luce solare da parte dei concentratori solari che limita il sovra riscaldamento degli edifici, e avrete una tecnologia potenzialmente rivoluzionaria per le città a energia zero del futuro», conclude Brovelli.

I concentratori solari a nanoparticelle sono descritti nello studio “Highly efficient large-area colourless luminescent solar concentrators using heavy-metal-free colloidal quantum dots” (DOI: 10.1038/NNANO.2015.178), recentemente pubblicato sulla rivista Nature Nanotechnology.

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