Pannelli a colori: le celle di Grätzel

Chi di voi ha mai sentito parlare di celle solari sensibilizzate a colorante o celle di Grätzel? Probabilmente quasi nessuno, eppure sono certa che moltissimi abbiano fatto un salto a Expo Milano 2015 e, passando dal padiglione Austria 1, abbiano fatto caso a dei particolari pannelli solari colorati. Chissà se vi siete chiesti cosa fossero o come funzionassero. Ebbene, si trattava proprio di celle di Grätzel, conosciute anche come DSSC, dall’acronimo inglese (Dye Sensitized Solar Cells). Le DSSC sono pannelli fotovoltaici, ovvero sfruttano la radiazione del sole per la produzione di energia elettrica. Tuttavia, esse fanno parte delle tecnologie fotovoltaiche di terza generazione, più innovative rispetto ai tradizionali o più diffusi pannelli fotovoltaici di prima generazione al silicio (quelli scuri che ormai da anni iniziano a vedersi sui tetti delle case).  Il recente squilibrio fra il consumo e la disponibilità di risorse fossili si è tradotto in un accresciuto interesse verso energia rinnovabile e pulita, quale, ad esempio, quella derivante dal Sole.2 Ecco perché i ricercatori si muovono verso tecnologie fotovoltaiche capaci di sfruttare la radiazione solare per la produzione di elettricità in loco, cioè nei pressi del consumatore finale, evitando sprechi di energia e contenendo i costi.

Installazione artistica di DSSC – Padiglione Austria, Expo Milano 2015

In particolare, il desiderio di produrre pannelli fotovoltaici integrabili in strutture architettoniche, sostenibili ed esteticamente apprezzabili, ha alimentato la ricerca nel campo delle celle solari sensibilizzate a colorante. Esse sono integrabili su tetti e facciate degli edifici, col vantaggio di avere un aspetto colorato e trasparente. Le DSSC risultano particolarmente versatili ed applicabili ad un’ampia gamma di prodotti (quelle più piccole persino su borse e indumenti!).

Come è costituita una DSSC? Si tratta di un sistema fotoelettrochimico messo a punto da B. O’Regan e M. Grätzel nel 1991 all’École Polytechnique Fédérale di Losanna. La descrizione dettagliata del funzionamento risulterebbe probabilmente tediosa, ma è sufficiente sapere che sono presenti due elettrodi di vetro conduttivo, ovvero un anodo e un catodo. Tra gli elettrodi è depositato un elettrolita (spesso si impiega una soluzione liquida, ma potrebbe trattarsi anche di un materiale solido). Sull’anodo è presente uno strato di materiale semiconduttore, sensibilizzato con un colorante. Semplicemente, questo significa che il sistema in questione diventa “sensibile” alla luce solare grazie al colorante in grado di assorbirla a livello dell’anodo. Immaginando la DSSC come un sandwich, le due fette di pane sono gli elettrodi, e la fetta di prosciutto si trova al posto dell’elettrolita. Attenzione però, su una delle due fette di pane è spalmata della maionese, così come su uno dei due elettrodi (l’anodo) viene depositato il semiconduttore con il colorante.

Installazione DSSC – Swiss Tech Center, Losanna

Come è possibile creare una corrente di elettroni e, quindi, una corrente elettrica nella DSSC? Per i più curiosi e appassionati di voi, proverò a raccontarlo brevemente. Il colorante, localizzato sull’anodo, come si è detto, assorbe la radiazione solare. Questo lo porta ad uno stato energetico eccitato, ovvero il colorante si trova ora ad un livello energetico più alto rispetto a quando non aveva ancora assorbito la luce del sole, e inietta uno dei suoi elettroni nel semiconduttore. L’elettrone iniettato si muove verso il catodo. Nel frattempo, alcune specie presenti all’interno dell’elettrolita prendono in carico un elettrone dal catodo e lo riportano al colorante che, a seguito dell’iniezione nel semiconduttore, ne era rimasto privo. Il ciclo si ripete in continuo e la cella produce voltaggio generando una corrente elettrica su un circuito esterno collegato agli elettrodi.

Alcuni dei coloranti più comunemente utilizzati nelle DSSC sono a base di metalli pesanti, e la sintesi di tali molecole può risultare laboriosa ed inquinante. Ecco perché, in termini di sostenibilità, l’aspetto che suscita il più acuto interesse dei ricercatori e dei consumatori è la possibilità di impiegare coloranti di origine naturale nell’assemblaggio di una cella solare sensibilizzata a colorante. I pigmenti naturali (intesi come non di sintesi chimica), come antocianine, clorofilla e carotenoidi, sono estraibili da specie vegetali di varia provenienza.3 Sin dal 1995 si è indagato circa l’applicazione di coloranti naturali nel campo delle DSSC, seppure spesso i risultati ottenuti in termini di efficienza energetica non siano stati eccellenti. Alcune fonti di pigmenti naturali sono il melograno, i fichi d’india siciliani, l’uva, e tanti altri.

Si menziona la ricerca di Arof et al. (2017) 4 circa l’utilizzo dello zafferano come fonte di pigmenti per una DSSC. Lo zafferano è noto scientificamente come Crocus sativus e fa parte della famiglia delle Iridaceae. Lo stilo essiccato e gli stigmi contengono numerose sostanze, fra cui la crocina, un carotenoide che conferisce allo zafferano un colore rosso intenso. Il Crocus sativus costituisce, però, una risorsa pregiata. Può infatti raggiungere costi esorbitanti, considerando che per produrre un solo chilo di polvere di zafferano occorre raccogliere circa centocinquantamila fiori a mano, con grande dispendio di tempo e forza lavoro. Questi elementi rendono l’assemblaggio della cella più svantaggioso. È possibile estrarre i pigmenti necessari per le DSSC da scarti vegetali, e questo è sicuramente un ulteriore punto a favore dell’aspetto eco-friendly di questa tecnologia. Già nel 2013 Kumara et al.5 hanno operato in questa direzione, ad esempio valutando l’efficienza di DSSCs sensibilizzate con coloranti estratti dagli scarti della pianta di tè nero.

Nel 2015 Maiaugree et al.6 hanno indagato l’utilizzo di pigmenti derivati da bucce di mangostano di scarto. Il mangostano è un frutto esotico reperibile nel Sud-Est asiatico. Maiaugree e i suoi collaboratori hanno usato la buccia di mangostano, carbonizzata, anche come materiale costituente gli elettrodi. Perciò uno scarto destinato semplicemente allo smaltimento si dimostra un’importante risorsa di partenza per l’assemblaggio di un dispositivo volto alla produzione di energia.

Degno di nota è anche lo studio di Calogero et al.7 riguardo gli estratti di alcune alghe marroni presenti nella Laguna di Venezia (45°26’N; 12°20’E). Tale ricerca verte, in particolare, sull’utilizzo di pigmenti estratti da una specie nota come Undaria pinnatifida. Essa viene rimossa come scarto in seguito alla sua crescita incontrollata ostacolante le attività antropiche. La sua applicazione nell’ambito delle celle di Grätzel risulta perciò di grande interesse, affermandosi come un impiego concreto di una abbondante e, spesso, indesiderata risorsa.

Insomma, cari lettori, la strada da percorrere è ancora lunga: le efficienze di queste celle purtroppo non risultano sempre competitive, in particolare quelle assemblate facendo uso di coloranti naturali. L’industrializzazione e la commercializzazione delle DSSC risultano ancora difficili. Seppure esse siano relativamente di facile costruzione, sussistono ancora problematiche legate allo scale-up, ovvero alla produzione di celle di dimensioni superiori ai piccoli prototipi di laboratorio. È chiaro, però, che la sostenibilità ambientale è ormai da molti anni al centro delle ricerche scientifiche.

A cura di Sara Ferrara
Laureata in Chimica e Tecnologie Chimiche, aspirante Chimico Industriale, appassionata di divulgazione

Revisione: Stefano Bertacchi, Matteo Paolieri

Riferimenti

1 http://www.expo2015.org/2015/10/20/austria/

2 G. Calogero, A. Bartolotta, G. Di Marco, A. Di Carlo and F. Bonaccorso, Chem. Soc. Rev., 2015, 44, 3244–3294.

3 H. Hug, M. Bader, P. Mair and T. Glatzel, Appl. Energy, 2014, 115, 216–225.

4 A. K. Arof, N. A. M. Nor, N. R. Ramli, N. Aziz, I. M. Noor and R. M. Taha, Opt. Quantum Electron., 2017, 49, 37.

5 N. T. R. N. Kumara, M. R. R. Kooh, A. Lim, M. I. Petra, N. Y. Voo, C. M. Lim and P. Ekanayake, Int. J. Photoenergy, 2013, 2013, e109843.

6 W. Maiaugree, S. Lowpa, M. Towannang, P. Rutphonsan, A. Tangtrakarn, S. Pimanpang, P. Maiaugree, N. Ratchapolthavisin, W. Sang-aroon, W. Jarernboon and V. Amornkitbamrung, Sci. Rep., 2015, 5, 15230

7 G. Calogero, I. Citro, G. Di Marco, S. ArmeliMinicante, M. Morabito and G. Genovese, Spectrochim. Acta. A. Mol. Biomol. Spectrosc., 2014, 117, 702–706

Rispondi

%d blogger hanno fatto clic su Mi Piace per questo: