solar cell
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Trattiamo di energia solare e celle solari polimeriche in un nuovo speciale su Il Positivismo! In questo primo articolo parliamo di energie rinnovabili in Europa, di solar cell e del loro sviluppo e, infine, di vantaggi e svantaggi delle celle solari polimeriche.

La produzione di energia nel nostro Pianeta

Il futuro della produzione di energia è un argomento di estremo interesse per la comunità scientifica e, ovviamente, per tutti gli abitanti del nostro pianeta. Senza energia, le nostre società semplicemente non funzionerebbero, per cui è importante dare un’occhiata a come soddisferemo nei prossimi anni il fabbisogno energetico. Al momento, i combustibili fossili governano la produzione di energia del nostro pianeta, sebbene ad essi siano collegati gravi problemi di inquinamento ed una scarsità preoccupante di risorse. Sulla base del progresso tecnologico osservato negli ultimi anni, si guarda con ottimismo alla produzione di energia attraverso fonti rinnovabili, quali energia eolica, solare, idroelettrica, geotermica, ecc.

have a sunny day

Molte volte, però, quando si parla e discute di rinnovabili, entra in gioco il fatto che queste non possano soddisfare l’intero fabbisogno energetico del pianeta. Ciò, al momento, è vero, ma potrebbe non esserlo in futuro. Pertanto, prima di cominciare a parlare di energia solare e celle solari – l’obiettivo di questo speciale – diamo un’occhiata a quelli che sono le statistiche sulle energie rinnovabili in Europa, per vedere a che punto siamo.

A che punto siamo con le rinnovabili?

L’Unione Europea ha posto l’obiettivo del 20%, cioè questa deve essere – entro il 2020 – la percentuale di consumo energetico soddisfatta da fonti rinnovabili. Per alcuni paesi, come ad esempio Svezia, Lettonia e Finlandia, l’obiettivo è già abbondantemente raggiunto. Ad esempio, nel paese con capitale Stoccolma nel 2014 ben il 52.6% del consumo di energia è stato soddisfatto da produzione attraverso fonti rinnovabili. Nello stesso anno, l’Italia ha già raggiunto l’obiettivo posto dall’UE per il 2020, insieme ad altri stati membri. Per altri ancora, come ad esempio Regno Unito e Paesi Bassi, invece, c’è ancora da lavorare.

share energie rinnovabili
Percentuale del consumo di energia derivante da energie rinnovabili per ogni stato dell’UE. L’Italia, nel 2014, ha raggiunto l’obiettivo prefissato per il 2020 dall’Unione Europea. Lo stesso non si può dire per tanti altri stati membri.

La produzione di energia attraverso fonti rinnovabili proviene principalmente da biocarburanti solidi o in generale rifiuti; queste due fonti di energia rappresentavano, infatti, ben il 63.1% della produzione nel 2014. L’energia solare, d’altra parte, rappresentava soltanto il 6.1% di produzione energetica rinnovabile. In Italia, dato interessante, una delle fonti più produttive è l’energia geotermica, la quale rappresenta il 22.1% di tutta la produzione energetica. Al contrario, nell’intero continente europeo quest’ultima rappresenta solo il 3%.

L’utilizzo di energia solare, comunque, è in forte crescita. Ciò è comprensibile se si guarda all’energia potenzialmente ottenibile grazie alla nostra stella gialla: la Terra riceve ogni giorno circa 1.2×105 TW dal Sole. Questo valore supera di gran lunga il fabbisogno energetico annuale del nostro pianeta (> 20 TW).

Celle solari ed effetto fotovoltaico

vanguard satellite
Il piccolo satellite Vanguard 1, il più antico oggetto creato dall’uomo ancora in orbita intorno alla Terra. E’ stato il primo satellite a montare pannelli fotovoltaici.

Le celle solari trasformano i fotoni in elettricità mediante l’effetto fotovoltaico, documentato per la prima volta da Alexandre-Edmond Bequerel nel 1839. Questo consiste nel passaggio di un elettrone dalla banda di valenza di un materiale – nelle celle solari si tratta tipicamente di un semiconduttore – alla banda di conduzione, dopo l’assorbimento di luce. Più di un secolo dopo la scoperta dell’effetto fotovoltaico, e molti anni dopo la descrizione dell’effetto fotoelettrico (di cui il fotovoltaico è una sottocategoria), fu realizzata la prima cella solare; risale al 1954, con una efficienza di conversione di circa 6%. Quattro anni dopo, le celle solari videro la loro prima applicazione sul satellite Vanguard 1, allora soltanto come fonte di energia “alternativa” a quella primaria. Da allora, lo sviluppo delle celle solari è stato costante e, attualmente, si differenziano in tre generazioni.

Tre generazioni di solar cell

La prima generazione di solar cell si basa principalmente su silicio cristallino; ci riferiamo alle celle solari che vediamo sui tetti delle case. La loro efficienza si assesta intorno al 15-20%. Le prestazioni di queste celle solari sono ottime e possiedono anche un’elevata stabilità. L’unico contro è che la loro produzione richiede grandi quantitativi di energia.

Un passo avanti rispetto a queste solar cell è rappresentato da quelle di seconda generazione. Queste si basano su silicio amorfo, CIGS (seleniuro di rame, indio e gallio) o CdTe (tellururo di cadmio). Questa tipologia di cella possiede una certa flessibilità ed ha costi di produzione inferiori rispetto a quelle di prima generazione. L’energia richiesta per la loro produzione è comunque elevata ed in più la cella è composta da elementi non proprio abbondanti, il che ne compromette il prezzo.

organic solar cell
Una cella solare di terza generazione, ossia una cella solare organica. Notare la sua flessibilità, pregio importante di questa generazione.

La terza generazione utilizza materiali organici (piccole molecole oppure polimeri) per produrre elettricità dalla luce solare. Una sottoclasse di queste celle solari, sulla quale ci soffermeremo maggiormente nei prossimi articoli, è rappresentata dalle polymer solar cell, nelle quali si utilizzano polimeri di vario tipo per ottenere i risultati desiderati.

Celle solari polimeriche

In questa tipologia di celle solari un polimero è utilizzato come semiconduttore per trasformare l’energia elettromagnetica (derivante dalla luce solare) in energia elettrica. Il meccanismo è esattamente lo stesso che si osserva nelle altre generazioni di celle, eppure questa tipologia di solar cell ha potenzialmente grossi vantaggi. Si ha, ad esempio, la possibilità di avere celle molto flessibili, il che rappresenta un grosso vantaggio in numerose applicazioni in cui questa proprietà è richiesta. Ciò è condiviso dalle solar cell di seconda generazione, come si è già visto.

Un altro punto di vantaggio è la processabilità: le polymer solar cell possono essere prodotte da soluzione (cosa non fattibile per le altre generazioni). Di conseguenza, tecniche di printing e coating (roll-to-roll) possono essere utilizzate, abbassando enormemente i prezzi ed aumentando la potenziale velocità di produzione. Queste celle solari, inoltre, non si basano su materiali non abbondanti, come si vedeva per le celle di seconda generazione. In realtà, alcune celle solari polimeriche utilizzano ancora indio, il che è un difetto, ma è stato abbondantemente dimostrato dalla ricerca che celle indium free possono esistere.

Non è tutto oro…

Le celle solari polimeriche peccano su due importanti fronti: efficienza di conversione (che arriva intorno al 10% in certi casi) e stabilità. Il significato di questi termini verrà ampiamente discusso nei successivi articoli di questo speciale. Basti sapere, adesso, che i tre fattori processabilità, efficienza e stabilità rappresentano un triangolo fondamentale per lo sviluppo di questa tecnologia. La ricerca si sta concentrando sul migliorare tutti e tre questi fattori, in modo da permettere una rapida ascesa di questa tipologia di celle solari.

triangolo solar cell
Processabilità, efficienza e stabilità sono le tre caratteristiche da unificare per l’ascesa delle celle solari polimeriche.

Dovreste avere, al momento, un quadro generale della situazione abbastanza chiaro. Nei prossimi articoli entreremo nel dettaglio: come funziona in pratica una solar cell? Quali sono i materiali utilizzati? Cosa si intende per stabilità e degradazione della solar cell? Come possono essere fabbricate su scala industriale?

Restate sintonizzati, lo scopriremo prossimamente!

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