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TECNOLOGIE FV A FILM SOTTILE INNOVATIVE ED ECONOMICHE

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Progetto Scalenano
Intervista al Prof. Liberato Manna, Direttore Dipartimento di Nanochimica dell’ Istituto Italiano di Tecnologia


Il Dipartimento di Nanochimica dell’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT), grazie alle proprie competenze avanzate, è uno dei partner del progetto Scalenano finanziato nell’ambito del programma FP7-Energia della Commissione Europea.
Il progetto ha l’obiettivo di aumentare la competitività dei paesi europei nel settore delle tecnologie fotovoltaiche a film sottile, realizzando innovazioni che rendano più efficienti i dispositivi di funzionamento dei pannelli solari. Avviato nel febbraio 2012, troverà conclusione nel luglio 2015. L’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) è una Fondazione di diritto privato istituita congiuntamente dal Ministero dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca e dal Ministero dell’Economia e Finanze, con l’obiettivo di promuovere l’eccellenza nella ricerca di base e in quella applicata e di favorire lo sviluppo del sistema economico nazionale.

Progetto Scalenano
Il progetto coinvolge un consorzio interdisciplinare composto da 13 istituti partner, coordinato dal Catalonia Institute for Energy Research di Barcellona, di cui fa parte il Dipartimento di Nanochimica dell’IIT che metterà a disposizione la propria competenza nello studio e nella caratterizzazione chimica dei nuovi materiali. Il principale scopo di Scalenano, infatti, è lo sviluppo e la realizzazione di una nuova tecnologia fotovoltaica che sfrutti in modo innovativo le proprietà fotoelettriche dei calcogenuri (particolari composti di Rame, Indio, Gallio e Seleniuro) e che si basi su processi eco-compatibili e sostenibili con costi bassi ed efficienze alte.

I composti di rame, indio, gallio e seleniuro (CIGS) sono materiali già utilizzati per applicazioni nel settore dell’energia solare. Questo progetto, però, mira a innovare i metodi della loro produzione. I metodi attuali, infatti, sono costosi, difficili da controllare nella realizzazione di ampie superfici e basati su dispendiose tecniche di vuoto, richiedendo quindi un impiego di capitale iniziale molto alto.
I nuovi metodi più economici indagati non prevedono l’utilizzo di tecnologie del vuoto e sfruttano l’elettrodeposizione di precursori nanostrutturati.
Il Consorzio italiano partner, altamente interdisciplinare, focalizzerà il proprio contributo scientifico sulla produzione di nanoparticelle con caratteristiche ben precise e ben controllate, in modo da ottenere materiali adeguati sia alla formulazione di inchiostri sia alla definizione di processi di sinterizzazione. Secondo il Direttore del Dipartimento di Nanochimica dell’IIT, Liberato Manna, lo scopo finale è produrre film sottili, partendo dalle nanoparticelle che costituiranno il materiale attivo nei dispositivi fotovoltaici finali.

Il gruppo di ricercatori coordinato dal professor Manna, sarà responsabile della produzione e caratterizzazione di nanoparticelle di composti CIGS, seguendo vie di sintesi eco-compatibili. Lo studio della composizione, forma, dimensione e struttura cristallografica delle nanoparticelle sarà realizzato grazie a tecniche e strumenti avanzati: microscopia a trasmissione elettronica, (TEM), TEM ad alta risoluzione, spettroscopia Raman, diffrazione a raggi X (XRD), spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS), spettroscopia EDX (energy dispersive x-ray), spettroscopia EELS (electron energy loss) e spettroscopia ICP (inductively coupled plasma).

I partner del Consorzio Scalenano sono:
IREC -Catalonia Institute for Energy Research (Spagna), EMPA-Swiss Federal Laboratories Materials Science and Technology (Svizzera), Istituto Italiano di Tecnologia (Italia), CEA-Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives (Francia), HZB-Helmholtz Zentrum Berlin (Germania), UNOTT-University of Notthingham (UK), UL-Université de Luxembourg (Lussemburgo), SUPSI-Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana (Svizzera), Free University Berlin (Germania) e quattro aziende di diversi settori: Merck KGaA (Chimica), NEXCIS (Fotovoltaico), IMPT (Tecnologie a film-sottile), Semilab (Metrologia).

Intervista al Prof. Liberato Manna, Direttore Dipartimento di Nanochimica dell’Istituto Italiano di Tecnologia

Quali sono gli obiettivi del progetto Scalenano e della partecipazione dell’Istituto Italiano di Tecnologia?

Gli obiettivi del progetto Scalenano sono molteplici e in generale volti a ottimizzare gli aspetti che riguardando i vari stadi di fabbricazione della cella solare. Il focus è però posto sull’abbattimento dei costi di fabbricazione di celle basate su materiali alternativi al silicio, ovvero composte di materiali presenti in grande abbondanza in natura, quali rame, zinco, stagno e zolfo. Attualmente i costi di fabbricazione di celle di questo tipo sono molto elevati, e il progetto si propone di individuare e realizzare processi di realizzazione che li abbassino. L’Istituto Italiano di Tecnologia ha un’esperienza significativa proprio nello sviluppo di processi chimici che fanno parte di alcune di queste strategie alternative. Una di queste, per esempio, consiste nel sostituire i processi tradizionali di fabbricazione di film sottili di semiconduttori (i quali necessitano di condizioni di alto vuoto e di apparecchiature molto elaborate), con l’impiego di inchiostri di nanoparticelle che, una volta depositati su un substrato e scaldati, dovrebbero portare a film sottili di uguale qualità, sebbene meno costosi.

Come nasce l’idea di sviluppare una nuova tecnologia fotovoltaica che sfrutti in modo nuovo le proprietà fotoelettriche? Nei processi di questo tipo, eco-compatibili e sostenibili con costi bassi ed efficienze alte, che ruolo ha la ricerca?

L’idea è appunto quella di abbattere i costi attraverso la definizione di nuovi materiali e processi di produzione. Utilizzando nanoparticelle di semiconduttori che sono facilmente disperdibili in un mezzo liquido, vogliamo ottenere degli inchiostri da utilizzare in semplici procedure di stampaggio, così che si possa produrre film di qualità paragonabili a quelli ottenuti con processi industriali più tradizionali. I problemi irrisolti sono, però, ancora tanti e riguardano la tecnologia di nanoparticelle, primo fra tutti la capacità di avere alla fine dei film di purezza chimica elevata. In queste problematiche la ricerca ha un ruolo fondamentale, soprattutto, poi, se nei processi in fase liquida vogliamo impiegare solventi che siano eco-compatibili.

In base alla sua esperienza, come valuta la direzione intrapresa nella ricerca e nella progettazione di soluzioni tecnologie fotovoltaiche a film sottile? Quali sono le prospettive future, in ambito internazionale, per l’applicazione al fotovoltaico?

Negli ultimi anni si sono fatti notevoli passi avanti in alcuni settori, come ad esempio nel fotovoltaico organico (ovvero celle solari di plastica) o nelle cosiddette celle di Graetzel, basate su biossido di titanio, anche se permangono problemi di fondo, innanzitutto la stabilità dei materiali a lungo termine. Quando questi problemi saranno risolti definitivamente, queste tecnologie avranno un enorme sviluppo commerciale. Un altro filone promettente è appunto quello proposto dal progetto Scalenano, che utilizza particelle di semiconduttori come materiale di partenza per rimpiazzare gli strati tradizionali di semiconduttori.

Quali sono le tecniche e gli strumenti avanzati impiegati nello studio delle nanoparticelle applicate al film sottile?

La preparazione di inchiostri di nanoparticelle segue numerosi passaggi. Innanzitutto, bisogna assemblare opportune linee di sintesi di particelle, poi i materiali ottenuti sono caratterizzati con varie tecniche di microscopia elettronica molto elaborate, e per cui IIT dispone della tecnologia necessaria. Inoltre, una volta realizzati gli inchiostri, è necessario fare test sulla loro stabilità, e studiarne il comportamento quando vengono depositati e “cotti”, oltre a valutare la morfologia e la composizione del film ottenuto attraverso strumenti di microscopia e di spettroscopia. Infine, per capire se il film prodotto ha caratteristiche almeno vicine a quelle richieste dagli standard industriali, sarà necessario costruire inizialmente delle celle rudimentali, e quindi realizzare ulteriori analisi. E così via. La maggior parte di questi studi verranno condotti all’Istituto Italiano di Tecnologia, anche in collaborazione con altri partner del progetto.

Quali sono i risultati e le caratteristiche che vi aspettate di ottenere grazie alla partnership in questo progetto internazionale?

Il nostro gruppo di ricerca all’IIT, in particolare nel Dipartimento di Nanochimica di cui sono Direttore, ha notevole esperienza nello sviluppo di nanomateriali e molti di noi hanno competenze nella fabbricazione di dispositivi fotovoltaici basati su tecnologie innovative. Tuttavia, la collaborazione con vari partner industriali ci permetterà di focalizzare i nostri sforzi su un obiettivo comune e con una chiara ricaduta applicativa immediata.

Secondo Lei, grazie alle nuove scoperte nella caratterizzazione chimica dei nuovi materiali, quali potrebbero essere i risvolti a livello industriale sull’efficienza dei dispositivi di funzionamento dei pannelli solari?

Non puntiamo ad avere efficienze più alte di quelle già dimostrate sui dispositivi attuali. Questo sarebbe irrealistico. Puntiamo invece ad avere dispositivi con efficienze simili a quelli attualmente disponibili, ma con costi di produzione sensibilmente inferiori.

Elena Guzzonato
redazione@energheiamagazine.eu

Per approfondimenti:
Progetto Scalenano

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