Da pannello solare a edificio: le nuove frontiere delle nanotecnologie

Grazie alla scoperta di un team di ricercatori sarà presto possibile trasformare un intero edificio in un pannello fotovoltaico: la scoperta consiste nella conversione di semplici lastre di plexiglass in generatori di energia pulita attraverso l’impiego di nanoparticelle fluorescenti, in grado di catturare la luce del sole. Si tratta dell’evoluzione finale del pannello solare che consente, grazie all’impiego della nuova tecnologia, di rendere fotovoltaico qualsiasi elemento architettonico, compreso quello trasparente. Pietra miliare, quindi, per la bioarchitettura.

“Questa tecnologia, di cui noi abbiamo fornito la prova di principio, è immediatamente scalabile per l’industria e può essere utilizzata nella green architecture e nella building sustainability. Con questi nano-materiali, non più soltanto i tetti ma tutte le parti di un edificio possono diventare pannelli solari, incluse finestre e facciate, favorendone l’auto-sostenibilità. Inoltre la possibilità di realizzare dispositivi di qualsiasi forma e colore offre nuove eccitanti opportunità nel design di elementi architettonici intelligenti”. 

A elogiare la nuova scoperta è Sergio Brovelli, del Dipartimento di Scienza dei Materiali dell’Università di Milano-Bicocca, coordinatore insieme a Francesco Mainardi dello studio Large-area luminescent solar concentrators based on ‘Stokes-shift-engineered’ nanocrystals in a mass-polymerized PMMA matrix,. La ricerca, pubblicata sulla rivista Nature Photonics, è stata condotta in collaborazione con il gruppo guidato da Victor I. Klimov del Los Alamos National Laboratory (U.S.A.).

Fulcro della scoperta è l’impiego di concentratori solari luminescenti (LSC, Luminescent Solar Concentrators), basati su nuove nanoparticelle a semiconduttore. Si tratta cioè di dispositivi costituiti da una lastra, di materiale plastico o vetroso, contenente alcune specie attive dal punto di vista ottico, dette cromofori, in grado di assorbire la luce solare e di ritrasmetterla all’interno della lastra. Grazie al fenomeno della riflessione totale interna, la luce viene indirizzata verso i bordi dove è trasformata in energia elettrica da piccole celle solari poste lungo gli spigoli.  La trasformazione è semplice: basta scegliere il giusto grado di trasparenza e il colore del dispositivo per produrre elementi fotovoltaici a tutti gli effetti da normali finestre senza sensibili aumenti di costo.

L’eccezionalità del progetto sta nel fatto che finora la realizzazione di concentratori solari luminescenti di dimensioni tali da consentire un impiego reale (vetrate, serre, coperture trasparenti ecc…) non è stata possibile in quanto i cromofori  standard hanno la peculiarità di riassorbire gran parte della loro stessa fluorescenza, riducendone progressivamente l’intensità, fino ad azzerarsi al bordo della lastra. La prima sfida, quindi, è consistita proprio nella realizzazione di materiali privi di ri-assorbimento, grazie alla tecnica sviluppata per incorporare nei concentratori plastici degli speciali cristalli colloidali di dimensioni di pochi milionesimi di millimetro. In pratica una particella funge da involucro per una seconda nanoparticella ancora più piccola, come fosse un nocciolo ricoperto dal suo guscio trasparente. In questo modo  il nocciolo può emettere la sua fluorescenza che si propaga senza perdite, consentendo la realizzazione di dispositivi di grandi dimensioni (anche migliaia di centimetri quadrati) e, conseguentemente, utilizzabili in contesti architettonici reali.

“L’enorme vantaggio di questi sistemi – spiega Francesco Meinardi – è che permettono di disaccoppiare i processi di assorbimento e di emissione della luce: l’assorbimento avviene nel guscio che immediatamente trasferisce l’energia accumulata al nocciolo da cui avviene l’emissione luminosa.