I materiali 2D come WSe2 e MoS2 aprono nuove prospettive per il fotovoltaico ultrasottile, trasparente e integrabile negli edifici.
Il futuro del fotovoltaico potrebbe diventare estremamente sottile, leggero e quasi invisibile. Una nuova classe di materiali bidimensionali sta infatti aprendo prospettive molto interessanti per lo sviluppo di celle solari capaci di integrarsi direttamente su superfici architettoniche, vetri, facciate e infrastrutture urbane.
La ricerca riguarda i cosiddetti TMDC, acronimo di “Transition Metal Dichalcogenides”, cioè dicalcogenuri di metalli di transizione. Questi materiali bidimensionali potrebbero rappresentare una delle evoluzioni più avanzate del fotovoltaico integrato, grazie alla capacità di assorbire luce pur mantenendo uno spessore quasi infinitesimale.
Un gruppo di ricerca dell’Instituto de Energía Solar del Politecnico di Madrid sta lavorando proprio su questa tecnologia, sviluppando microcelle fotovoltaiche ultrasottili basate su diseleniuro di tungsteno (WSe2) e disolfuro di molibdeno (MoS2).
Cosa sono i materiali 2D nel fotovoltaico
I materiali 2D rappresentano semiconduttori estremamente sottili composti da uno o pochissimi strati atomici. Nel caso dei TMDC, la struttura bidimensionale permette di mantenere stabilità meccanica anche a spessori vicini al monostrato atomico.
Tra i materiali più studiati figurano:
- WSe2 (diseleniuro di tungsteno);
- MoS2 (disolfuro di molibdeno).
Secondo i ricercatori del Politecnico di Madrid, questi semiconduttori riescono ad assorbire una quantità significativa di luce pur avendo uno spessore estremamente ridotto. Inoltre, sono composti da elementi relativamente abbondanti nella crosta terrestre e risultano più flessibili rispetto ai materiali tradizionali utilizzati nel fotovoltaico.
La loro struttura appartiene alla famiglia dei materiali di van der Waals, caratterizzati da proprietà elettroniche e ottiche particolarmente interessanti per applicazioni fotovoltaiche avanzate.
Celle solari ultrasottili e trasparenti
Uno degli aspetti più sorprendenti di questi materiali riguarda la possibilità di realizzare celle fotovoltaiche semitrasparenti.
Nel fotovoltaico tradizionale il silicio necessita di spessori molto maggiori per assorbire quantità significative di radiazione solare. I TMDC, invece, riescono a comportarsi come filtri intelligenti ultrasottili, assorbendo la parte di luce utile alla generazione elettrica e lasciando passare il resto.
Secondo i dati riportati dai ricercatori, le celle sviluppate con MoS2 e WSe2 potrebbero raggiungere efficienze comprese tra il 13% e il 25% mantenendo caratteristiche di trasparenza estremamente elevate.
Questa caratteristica apre scenari molto interessanti per:
- facciate fotovoltaiche trasparenti;
- finestre energetiche;
- integrazione architettonica;
- elettronica flessibile;
- superfici urbane intelligenti.
Il principale limite tecnologico
Nonostante le prospettive molto promettenti, il fotovoltaico con materiali 2D si trova ancora nelle fasi iniziali di sviluppo.
Uno dei principali limiti riguarda il comportamento elettronico dei TMDC quando vengono colpiti dalla luce. Diversamente dal silicio, questi materiali generano eccitoni, cioè coppie di elettroni e lacune ancora legate tra loro. Per produrre corrente elettrica, questo legame deve essere separato in modo efficiente.
Il problema principale resta però la produzione industriale. Secondo i ricercatori, ottenere un controllo estremamente preciso dello spessore fino al livello di monostrato risulta oggi molto difficile da realizzare con tecnologie economicamente sostenibili su larga scala.
Questo rappresenta uno degli ostacoli più importanti verso l’industrializzazione del fotovoltaico 2D.
La tecnica hot-pick-up sviluppata dal team spagnolo
Il gruppo di ricerca del Politecnico di Madrid ha realizzato le proprie microcelle utilizzando una tecnica sperimentale chiamata “hot-pick-up”.
Il processo consiste nella selezione, raccolta e deposizione controllata di frammenti ultrasottili dei materiali all’interno di strutture trasparenti multilayer. Questo approccio permette di creare eterostrutture ottimizzate in base alle specifiche esigenze sperimentali.
Secondo il team di ricerca, la versatilità del processo consente di combinare materiali differenti per ottimizzare:
- assorbimento della luce;
- trasparenza;
- proprietà elettroniche;
- efficienza energetica;
- stabilità del dispositivo.
L’università spagnola ha dichiarato che i risultati ottenuti collocano l’UPM tra i centri di ricerca più avanzati in questa tecnologia fotovoltaica emergente.
Verso la produzione industriale del fotovoltaico 2D
Uno degli obiettivi principali della ricerca riguarda ora la scalabilità industriale del processo produttivo.
I ricercatori stanno studiando tecniche basate su:
- spray coating;
- deposizione da soluzione;
- processi di nebulizzazione;
- coating su grandi superfici.
Secondo il team, questi approcci potrebbero consentire:
- riduzione dei costi produttivi;
- produzione su larga scala;
- integrazione architettonica diffusa;
- industrializzazione del fotovoltaico 2D.
La possibilità di applicare celle ultrasottili direttamente su vetri o superfici urbane potrebbe trasformare radicalmente il concetto stesso di produzione energetica distribuita.
Fotovoltaico semitrasparente sugli edifici
Parallelamente alla ricerca sui materiali, il team ha simulato l’impatto reale dell’integrazione di questa tecnologia nei contesti urbani.
Gli scienziati hanno analizzato il comportamento energetico di un grattacielo a Madrid rivestito con materiali fotovoltaici 2D in configurazione semitrasparente. Secondo le simulazioni, il sistema potrebbe coprire fino al 33% del fabbisogno energetico dell’edificio.
Il risultato sarebbe ottenuto mantenendo:
- adeguati livelli di luminosità interna;
- elevata resa cromatica;
- comfort visivo;
- buona qualità dell’illuminazione naturale.
Questo aspetto rappresenta uno dei punti più interessanti della tecnologia, perché permette di immaginare edifici capaci di produrre energia senza compromettere trasparenza, design o comfort architettonico.
Fotovoltaico integrato e città energetiche
Il fotovoltaico con materiali 2D si inserisce nel più ampio sviluppo del cosiddetto BIPV, cioè Building Integrated Photovoltaics.
Secondo la International Energy Agency, l’integrazione architettonica del fotovoltaico rappresenterà uno dei segmenti più importanti della futura espansione solare urbana.
Le tecnologie ultrasottili potrebbero infatti rendere possibile l’integrazione energetica in:
- superfici vetrate;
- facciate continue;
- elementi architettonici;
- arredo urbano;
- infrastrutture intelligenti.
In prospettiva, il fotovoltaico potrebbe diventare parte integrante delle superfici urbane stesse, trasformando edifici e città in sistemi energetici distribuiti.
Il ruolo delle tecnologie fotovoltaiche di LED Italia
L’evoluzione del fotovoltaico integrato e delle nuove tecnologie solari aumenta l’interesse verso soluzioni energetiche sempre più efficienti, leggere e adattabili ai contesti architettonici moderni. LED Italia propone una gamma completa di soluzioni dedicate al fotovoltaico, allo storage energetico e all’efficienza energetica.
Tra le tecnologie disponibili rientrano i moduli fotovoltaici, i sistemi di accumulo e le soluzioni sviluppate per applicazioni residenziali, commerciali e professionali.
Sintesi
La ricerca sui materiali bidimensionali apre prospettive molto interessanti per il futuro del fotovoltaico integrato. Celle ultrasottili, semitrasparenti e flessibili potrebbero trasformare facciate, vetri e superfici urbane in generatori energetici diffusi.
Il fotovoltaico 2D si trova ancora in una fase sperimentale, ma i risultati ottenuti dal Politecnico di Madrid mostrano come questa tecnologia possa rappresentare una delle evoluzioni più innovative della produzione solare nei prossimi decenni. La sfida principale resta ora la scalabilità industriale e la possibilità di produrre questi materiali su larga scala con costi sostenibili.
