Intervista
Ancora 15 anni per l'elettricità dal fotovoltaico organico
Alessandro Mattoni, ricercatore dell’Istituto Officina dei materiali del Cnr e coordinatore del progetto Polyphemo, spiega le prospettive della ricerca sul solare
28 Aprile 2010
Quale legame esiste tra i polimeri organici e il fotovoltaico?
Il punto chiave è la fotoconversione, ovvero la trasformazione di energia solare in elettricità: il fenomeno presuppone un sistema capace di assorbire la luce e in cui esista un'asimmetria (ad esempio una giunzione tra 2 materiali diversi) in grado di separare spazialmente le cariche fotogenerate. Questi materiali devono essere inoltre adatti a trasportare le cariche che si vanno a generare. Tenuto conto di questi requisiti, esistono tre grandi categorie in grado di sviluppare la fotoconversione. Innanzitutto ci sono i materiali inorganici, che comprendono le tecnologie oggi più diffuse nel fotovoltaico, come il silicio, il telleruro di cadmio, il diseleniuro di rame, indio e gallio. I sistemi inorganici permettono di raggiungere le più alte efficienze di fotoconversione (fino al record del 46%) ma hanno alti costi di produzione. Poi esistono i materiali organici, tra cui quelli a base polimerica, che sono tra i sistemi più promettenti: recentemente è stato stabilito un record mondiale di fotoconversione del 7,7%, un dato che può sembrare basso (dovrebbe essere almeno del 10% per pensare di poter produrre energia da questi sistemi) ma che è estremamente importante se si pensa che quindici anni fa si era appena al 2%. Infine ci sono i materiali ibridi, che cercano di aumentare le proprietà di trasporto e la stabilità nel tempo dei materiali organici, combinandoli con delle componenti inorganiche.
Cosa cambia con l'utilizzo dei materiali organici o ibridi?
I materiali organici garantiscono maggiore flessibilità e leggerezza; inoltre possono essere prodotti con procedimenti meno costosi rispetto a quelli del fotovoltaico tradizionale. Per intenderci, si tratta di processi di sintesi chimica compatibili con una tecnologia di produzione simile a quella della stampa. È stato calcolato che grazie a una tecnica di questo tipo tutti i nuovi moduli polimerici necessari a garantire l'intero fabbisogno elettrico degli Usa potrebbero essere prodotti in un solo anno.
Perché allora non vediamo ancora queste soluzioni diffuse su larga scala?
Come accennato prima, il rendimento, ovvero la ridotta capacità di fotoconversione dei sistemi polimerici o ibridi, fa sì che i sistemi inorganici siano per ora l'unica realtà per la produzione di energia su larga scala, nonostante il loro elevato costo. C'è inoltre un problema di durata del tempo dei materiali organici, che vanno incontro a un processo di ossidazione, deteriorandosi in tempi più ristretti di quelli inorganici. Un pannello fotovoltaico a base silicio anche dopo vent'anni riesce a mantenere almeno l'80% della sua efficienza iniziale, mentre ancora non si riescono a raggiungere gli stessi standard in quelli organici, nonostante si stia sviluppando un'intensa attività di ricerca per superare questi limiti. Dunque i materiali organici per il momento non possono essere sostitutivi del silicio per la produzione di elettricità su vasta scala, ma vanno piuttosto a trovare applicazioni in certe nicchie di mercato come, ad esempio, la generazione di corrente per ricaricare un computer, oppure moduli arrotolabili per ricaricare il cellulare. Ma la nostra convinzione è che le tecnologie organiche possano riservare delle sorprese anche nel campo di produzione energetica nel medio-lungo termine. Credo che su una scala temporale di 10-15 anni le cose dovrebbero cambiare apprezzabilmente.
In cosa consiste concretamente il progetto Polyphemo?
Il nostro obiettivo è quello di studiare sistemi ibridi organico-inorganico a base polimerica. L'idea alla base è che, attraverso uno studio teorico assistito dal calcolatore che parte dalla scala atomica, sia possibile raggiungere una modellazione predittiva di questi materiali. Le prospettive di miglioramento di questi materiali sono infatti basate sulla possibilità di controllare l'aggregazione dei loro costituenti molecolari. Noi andremo a studiare proprio la morfologia, la scala atomica di questi sistemi, cercando di capire com'è possibile ottimizzare i vari fenomeni fisici che contribuiscono alla fotoconversione. Operativamente questo significa elaborare dei modelli teorici impegnativi da un punto di vista numerico: se si vuole studiare realisticamente l'interfaccia tra un polimero e un metalossido inorganico occorre elaborare un modello che contenga migliaia di atomi e prevederne il comportamento. Questo comporta un onere computazionale molto grande, che può essere risolto attraverso l'utilizzo di piattaforme di supercalcolo. Il nostro progetto durerà 3 anni e cercheremo di affrontare questi problemi da vari punti di vista, combinando diverse metodologie teorico-computazionali.
Il vostro è un progetto che ha dei contatti con il mondo privato?
Polyphemo è uno studio che nasce da un interesse scientifico per la fotoconversione. Esiste però un collegamento con il mondo privato: il nostro è un progetto IIT-SEED, che ha dunque come obiettivo ultimo quello di innescare - attraverso l'avanzamento della conoscenza e della tecnologia - delle nuove opportunità anche per il mondo imprenditoriale, così da poter dare vita alla creazione di nuove imprese.
Una curiosità: com'è possibile che un lavoro di ricerca come il vostro si sviluppi in Sardegna e non nella Silicon Valley?
La nostra è un'attività di ricerca di tipo teorico, che non ha dunque bisogno del supporto di un territorio industriale. Nel nostro caso specifico l'Itt ha ritenuto credibile il contesto scientifico del Cnr che opera presso il Dipartimento di Fisica dell'Università di Cagliari, grazie anche al lavoro svolto in questi ultimi anni in collaborazione con il gruppo di ricerca di Luciano Colombo.
