Le innovazioni sulle Celle di Grätzel aprono nuove vie per l’architettura green

Le celle di Grätzel sono unità fotovoltaiche economiche, flessibili e trasparenti, che sono in grado di produrre energia elettrica sfruttando la luce ambientale diffusa oltre a quella incidente. La scorsa estate questa tecnologia ha raggiunto un importante record, i cui risultati sono apparsi sulla rivista scientifica Nature a fine ottobre. Gli scienziati della EPFL sono riusciti infatti ad aumentare l’efficienza di conversione della potenza delle celle solari, raggiungendo il 30% in condizioni di luce ambientale e il 15,2% in condizioni di luce solare diretta.

Celle di Grätzel: cosa sono e come funzionano

Chiamate anche DSC (dall'inglese dye-sensitized solar cell), convertono la luce in elettricità attraverso dei pigmenti fotosensibilizzatori; i pigmenti colorati assorbono la luce e iniettano degli elettroni all’interno di una rete di nanocristalli di ossidi, che sono poi raccolti sotto forma di corrente elettrica. Le DSC sono trasparenti e possono essere fabbricati con diversi colori, in un’ottica di riduzione dei costi.

“Nelle DSC, i fotosensibilizzatori sono attaccati alla superficie di film nanocristallini mesoporosi di biossido di titanio imbevuti di elettroliti redox attivi o di un materiale solido per il trasporto di carica; l’intero progetto mira a generare energia elettrica spostando gli elettroni dal fotosensibilizzante verso un’uscita elettrica come un dispositivo o un’unità di archiviazione”.

Uno dei metodi di produzione utilizzati è la cosensibilizzazione, ovvero la produzione di DSC utilizzando due o più pigmenti diversi per avere un assorbimento ottico complementare. Questo metodo ha il potenziale vantaggio di poter combinare pigmenti in grado di assorbire, potenzialmente, tutte le lunghezze d’onda dello spettro luminoso. Tuttavia, non è semplice individuare le giuste combinazioni di pigmenti in grado di assorbire una grande quantità di luce e fornire allo stesso tempo la massima efficienza di conversione.

Gli scienziati dell’EPFL hanno recentemente sviluppato un metodo che prevede il pre-assorbimento, sulla superficie della pellicola di biossido di titanio, di un derivato dell’acido idrossamico, consentendo così la formazione di uno strato denso e ben ordinato di fotosensibilizzatore sulla superficie.

Con questo approccio, il team è riuscito a sviluppare DSC che per la prima volta hanno raggiunto un'efficienza di conversione dell'energia del 15,2% in condizioni di luce solare simulata standard, con una stabilità operativa a lungo termine testata di oltre 500 ore. Aumentando l'area attiva, si sono ottenute efficienze di conversione di potenza tra il 28,4% e il 30,2% in un'ampia gamma di intensità di luce ambientale, con un'eccellente stabilità.

Celle di Grätzel: alcuni esempi di utilizzo

Nell’ambito architettonico, sono utilizzate per la realizzazione di lucernari, serre e facciate in vetro. Già nel 2013, la Svizzera ha inaugurato la prima facciata fotovoltaica mai realizzata in un edificio pubblico, utilizzando 300 metri quadri di DSC: il Centro Congressi Swiss Tech. Qualche anno dopo, un sistema a Celle di Grätzel fu installato nel padiglione austriaco di Expo 2015. Per formare un sole che “sorgesse” dall’edificio, furono utilizzati 80 pannelli colorati di rosso, arancio e verde.