Celle solari flessibili thin-film: allo studio nuovi elettrodi trasparenti in tessuto polimerico


La scarsità di materie prime e l’uso crescente di metalli rari sta rendendo la produzione di dei dispositivi elettronici sempre più costosa.

È il caso, per esempio, dei metalli rari che attualmente sono utilizzati per realizzare gli elettrodi trasparenti presenti nei display touchscreen, negli schermi a cristalli liquidi, oltre che nei  LED organici e nelle celle solari a film sottile. Il materiale più comunemente impiegato in questi elettrodi è l’ossido di indio-stagno (più precisamente ossido di indio drogato con stagno, noto con l’acronimo ITO, dall’inglese Indium Tin Oxide). Si tratta di un ossido conduttivo con buone proprietà di trasparenza, ma relativamente costoso a causa della presenza di indio, tanto che il suo impiego in dispositivi caratterizzati da una superficie estesa, come  appunto le celle solari, è considerato antieconomico.

Esistono ossidi trasparenti privi di indio, ma a causa della crescente richiesta del mercato anche la loro disponibilità tende ad essere sempre più scarsa. Inoltre, questi ossidi e lo stesso ITO presentano alcuni svantaggi, come la fragilità. La ricerca di  elettrodi alternativi, che siano sia trasparenti che conduttivi, sta passando in esame materiali come polimeri conduttivi, nanotubi di carbonio e grafeni. Tutti questi elettrodi sono a base di carbonio, e in genere mostrano eccessivi valori di resistenza elettrica superficiale, caratteristica che li rende scarsi conduttori elettrici. D’altra parte, integrando una  griglia metallica in uno strato organico, si ottiene l’effetto di ridurre non solo la sua resistenza elettrica, ma anche la sua stabilità meccanica. Se una cella solare fatta di questo materiale è piegata, gli strati di elettrodi si spezzano e non sono più conduttivi. La sfida dei ricercatori consiste quindi della produzione di substrati flessibili ma ancora stabilmente conduttivi, prodotti possibilmente attraverso un processo industriale di laminazione dal costo contenuto.

Struttura del tessuto polimerico conduttivo Sefar

Struttura del tessuto polimerico conduttivo Sefar

Una possibile soluzione a questo problema prevede l’impiego di un polimero trasparente, flessibile e intrecciato in un tessuto, che Empa, uno dei principali Enti di ricerca svizzeri operanti nell’ambito della Scienza e della Tecnologia dei Materiali, ha sviluppato insieme alla società AG Sefar, in un progetto finanziato dalla Commissione svizzera per la Tecnologia e l’Innovazione. Sefar, specializzata in tessuti ad uso tecnico ed industriale, è in grado di produrre questo tessuto polimerico in grandi quantità, risolvendo in questo modo il problema della scarsità di materiale, tipico degli elettrodi trasparenti attualmente in commercio. Il processo sviluppato da Sefar è in pratica un processo roll-to-roll, già utilizzato nel settore delle celle solari a film sottile, simile a quello comunemente utilizzato per stampare i giornali e molto interessante dal punto di vista economico. In questo modo è possibile inserire una griglia di fili metallici intrecciati nel materiale polimerico, in modo da renderlo elettricamente conduttivo. In un seconda fase del processo il tessuto misto polimero-metallo viene incorporato in un foglio polimerico inerte, il quale, tuttavia, non copre completamente i filamenti metallici, conservandone così la conducibilità garantendo contemporaneamente l’impermeabilità ai liquidi e ai gas.

Tessuto pilimerico conduttivo realizzato da Empa e Sefar

Tessuto pilimerico conduttivo realizzato da Empa e Sefar

L’elettrodo risultante è trasparente e flessibile. Inoltre, quando è sottoposto a deformazione, l’elettrodo di tessuto polimerico è molto più stabile rispetto ai supporti plastici flessibili disponibili in commercio, sui quali solitamente viene applicato un sottile strato conduttivo di ITO.

I ricercatori Empa hanno applicato una serie di rivestimenti a questo nuovo supporto per creare una nuova cella solare organica, la cui efficienza è compatibile con quella delle tradizionali celle che utilizzano l’ossido di indio-stagno.

Fonti: Sciencedaily, SolarnovusToday

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