Polimeri per le nuove celle fotovoltaiche

Titolo del progetto di ricerca

PEPPY - Polimeri per fotovoltaico a base di perovskite

Area scientifica 

Chimica, Scienza dei materiali, Ingegneria energetica

Coordinatore del progetto

Federico Bella

Abstract 

Le celle solari a perovskite rappresentano la più concreta tecnologia fotovoltaica di nuova generazione e si propongono come una valida alternativa al silicio tradizionale. Dopo aver raggiunto efficienze superiori al 22% in soli cinque anni, le celle a perovskite vanno ora stabilizzate e prodotte su larga scala: questo progetto ha utilizzato i materiali polimerici per raggiungere questi obiettivi.

Descrizione del progetto di ricerca 

Il progetto PEPPY ha utilizzato materiali polimerici (le cosiddette materie plastiche) per la nuova tecnologia fotovoltaica basata sulle perovskiti. Queste celle solari sono state sviluppate negli ultimi anni e hanno raggiunto efficienze superiori al 22%; tuttavia, occorre superare due importanti limiti: la scarsa durabilità (dovuta alla degradazione promossa dall’umidità e dalla luce UV presente nel sole) e la difficoltà nell’ottenere le stesse efficienze su aree più grandi di quelle delle celle da laboratorio. Mentre quest’ultimo è un problema ingegneristico tipico di tutte le nuove tecnologie, il problema connesso alla stabilità a lungo termine va affrontato con un approccio chimico e di scienza dei materiali. Questo progetto ha realizzato  rivestimenti polimerici tramite fotopolimerizzazione, ovvero il processo che permette di reticolare una resina liquida in forma di film solido (la stessa, ad esempio, usata dal dentista per le otturazioni). Scegliendo opportuni polimeri e base fluoro e additivandoli con molecole luminescenti (in collaborazione col Politecnico di Milano), è stato possibile bloccare sia il passaggio dell’umidità che della luce UV, rendendo così le celle a perovskiti molto più stabili rispetto allo stato dell’arte. Il progetto ha considerato anche lo scale-up da cella a modulo con il contributo della multinazionale GreatCell Solar e lo studio del ciclo di vita del prodotto dalla fabbricazione allo smaltimento.

Impatto sulla società 

Il campo delle energie rinnovabili è ormai una realtà con la quale bisogna confrontarsi e molti stati europei stanno muovendosi fortemente in questa direzione. Le celle solari a perovskite, stabilizzate e a portate su larga scala, costituiscono una tecnologia dirompente, in quanto offrono le stesse prestazioni del silicio anche quando la luce solare non è perpendicolare al pannello (funzionano quindi per più ore al giorno e anche quando il cielo è lievemente nuvoloso). Queste celle solari sono anche realizzabili su supporti flessibili e possono ricaricare batterie e dispositivi portatili. 

Risultati della ricerca

Mediante un approccio di ingegneria chimica e dei materiali, il gruppo di ricerca ha sviluppato rivestimenti polimerici in grado di preservare la stabilità delle celle solari rendendole stabili sotto l’azione aggressiva degli agenti atmosferici (raggi UV, variazioni di temperatura, umidità). Inoltre si è arrivati a sostituire componenti inquinanti e/o costosi della cella con materiali di recupero come ad esempio carboni originati da scarti dell’industria agroalimentare. Nell’ottica di uno scale-up industriale, PEPPY ha realizzato un dimostratore modulare efficiente, stabile e costituito da materiali abbondanti, economici e processabili su grande scala, sui quali è inoltre possibile integrare dispositivi IoT (Internet of Things).

Tra i principali risultati della ricerca ricordiamo:

  • 4 pubblicazioni scientifiche e 8 presentazioni del progetto a conferenze
  • Rafforzamento della collaborazione con il gruppo del Prof M. Gratzel (EPFL, Svizzera) e nuova collaborazione col gruppo del Prof. V. Mougel (CNRS, Francia)
  • 3 premi scientifici, tra cui il Premio Internazionale “Roberto Piontelli” 2019 conferito dall’Accademia Nazionale dei Lincei e consegnato dal Presidente della Repubblica
  • Acquisto del primo simulatore solare a LED in Piemonte

Breve cv del coordinatore 

Federico Bella (Torino, 1987) è professore associato di Fondamenti Chimici delle Tecnologie al Politecnico di Torino. Laureato in Chimica Industriale e dottorato in Dispositivi Elettronici, ha condotto periodi di ricerca alla Universitat Politècnica de València, alla National University of Malaysia, al Massachusetts Institute of Technology e all’École Polytechnique Fédérale de Lausanne. Ha vinto l’“ENI Award” come miglior ricercatore under-30 nel campo delle rinnovabili ed il “Premio Sapio Junior 2015” come il miglior giovane ricercatore nel campo della ricerca e dell’innovazione. È autore di 75 pubblicazioni su riviste internazionali (tra le quali una su Science sul tema oggetto di questo progetto) ed è membro dell’Advisory Board di ChemSusChem, la principale rivista accademica europea sui temi riguardanti la sostenibilità di materiali, prodotti e processi.

Gruppo di lavoro @Polito 

Claudio Gerbaldi, professore del DISAT- Dipartimento di Scienza Applicata e tecnologia

Giulia Piana, post-doc del DISAT

Giuseppina Meligrana, tecnico del DISAT

Pietro Asinari, professore del DENERG - Dipartimento di Energia

Filippo Spertino, professore del DENERG

Partenariato

Partner accademico: Politecnico di Milano (referente: Gianmarco Griffini, ricercatore)

Partner non accademico: GreatCell Solar (referente: Chris Moore, technology manager)

  • Budget: 150.000
  • Data inizio: 15/09/2017
  • Data fine: 14/09/2019