In alternativa alla tecnologia fotovoltaica di prima generazione (silicio cristallino o c-Si) e a quella di seconda generazione (silicio amorfo a-Si, CdTe, CIGS e CIS) sta emergendo una nuova tecnologia di terza generazione che promette efficienze di conversione più elevate e costi minori rispetto alle prime due.
Questa terza generazione include i seguenti tipi di celle fotovoltaiche:
Queste celle sono comunemente note col nome di celle di Gratzel, dal nome del suo inventore Micheal Gratzel.
Il funzionamento delle celle DSSC ricorda da vicino quello della fotosintesi clorofiliana nelle piante.
La clorofilla contenuta nelle foglie assorbe la luce solare e grazie a questa trasforma la CO2 e l'acqua in zucchero e ossigeno, convertendo pertanto l'energia solare in energia chimica.
In una cella di Gratzel si assiste ad un analogo processo di "fotosintesi artificiale" in cui un colorante, ovvero una molecola organica, analoga alla clorofilla, assorbe l'energia solare che poi verrà trasformata in energia elettrica.
Una fondamentale differenza rispetto alle celle convenzionali è che, mentre in queste ultime le tre principali funzioni, l'assorbimento dell'energia solare, la generazione delle cariche elettriche e il trasporto/raccolta delle cariche elettriche, vengono tutte assolte da un unico materiale (appunto il silicio), in una cella DSSC le tre funzioni sono separate e svolte da diverse componenti, in questo modo è possibile ottimizzare ciascun passaggio attraverso l'utilizzo e lo sviluppo di diversi tipi di materiali.
Le prime celle solari con colorante fotosensibile furono introdotte nel 1972 con l’utilizzo di clorofilla sensibilizzata su un elettrodo di ossido di zinco.
Negli anni successivi sono state fatte molte ricerche, ma non furono mai raggiunti livelli di efficienza significativi, questo perché una superficie piana di colorante sensibilizzato non può superare il limite dell’1% di efficienza.
La svolta è arrivata con l’introduzione del TiO2 in struttura nanocristallina che incrementa la superficie di contatto tra semiconduttore e colorante di circa un fattore 1000 aumentando di conseguenza la raccolta della luce e della carica prodotta.
Grazie a questa scoperta le celle solari organiche raggiunsero già nel 1991 un’efficienza record del 7%.
Questo ha dato il via ad un boom nella ricerca sulle celle solari organiche ed oggi lo stato d’arte dell’efficienza delle celle di Gratzel è intorno all’11,2%, per quanto riguarda i prototipi in laboratorio di dimensioni molto ridotte, che è inferiore a quella del silicio cristallino in modulo (12-17%) ma è superiore all'efficienza del silicio amorfo (5-8%).
Nel giro di qualche anno potrebbe essere raggiunto l'obiettivo di una efficienza del 15% in laboratorio e dell'8% nei moduli.
In teoria ottimizzati tutti i componenti si potrebbe arrivare in futuro a raggiungere una efficienza del 40%.
Uno dei punti di forza di queste celle è che sono di gran lunga meno costose dei sistemi convenzionali.
I materiali costituenti infatti sono economici, facilmente reperibili o preparabili e con una modularità strutturale praticamente infinita.
Un modulo DSSC può essere costruito attraverso procedure che eliminano gli alti costi di produzione, l'uso eccessivo di energia e l'impatto ambientale tipico dell'industria del silicio.
Basti pensare che il tempo necessario per riottenere dalla cella l'energia che è stata utilizzata per produrla (Energy payback time) è 2-4 anni, a seconda del luogo di operazione, per il c-Si mentre per le DSSC è al di sotto di un anno (con prospettive ancora migliori in un futuro prossimo).
E' stato stimato che il costo di produzione di una cella DSSC con 10% di efficienza è minore di 1$/Wp, mentre per le celle di silicio supera i 2$/Wp.
Per quanto riguarda la durata, test accelerati hanno evidenziato una sufficiente stabilità per 20 anni in normali condizioni operative.
Un altro punto di forza della tecnologia DSSC è rappresentato dal fatto che mentre le celle tradizionali necessitano di particolari condizioni di illuminazione (assenza di ombreggiamenti, particolare angolo di incidenza), le celle DSSC funzionano anche a diversi angoli di incidenza e in presenza di luce diffusa, come si può avere all'alba, al tramonto e nelle giornate nuvolose, e sono perfettamente integrabili nelle facciate degli edifici.
Per concludere, la tecnologia DSSC è oggi in uno stato di sviluppo avanzato ad è già in fase di produzione pilota.
La commercializzazione dei primi sistemi è partita e si ritiene da più parti che sarà ampliata nei prossimi anni per via del potenziale miglioramento dell'efficienza e diminuzione dei costi.
Questa terza generazione include i seguenti tipi di celle fotovoltaiche:
- celle solari sensibilizzate con coloranti (Dye-Sensitized Solar Cells o DSSC);
- celle fotovoltaiche polimeriche;
- celle tandem.
Queste celle sono comunemente note col nome di celle di Gratzel, dal nome del suo inventore Micheal Gratzel.
Il funzionamento delle celle DSSC ricorda da vicino quello della fotosintesi clorofiliana nelle piante.
La clorofilla contenuta nelle foglie assorbe la luce solare e grazie a questa trasforma la CO2 e l'acqua in zucchero e ossigeno, convertendo pertanto l'energia solare in energia chimica.
In una cella di Gratzel si assiste ad un analogo processo di "fotosintesi artificiale" in cui un colorante, ovvero una molecola organica, analoga alla clorofilla, assorbe l'energia solare che poi verrà trasformata in energia elettrica.
Una fondamentale differenza rispetto alle celle convenzionali è che, mentre in queste ultime le tre principali funzioni, l'assorbimento dell'energia solare, la generazione delle cariche elettriche e il trasporto/raccolta delle cariche elettriche, vengono tutte assolte da un unico materiale (appunto il silicio), in una cella DSSC le tre funzioni sono separate e svolte da diverse componenti, in questo modo è possibile ottimizzare ciascun passaggio attraverso l'utilizzo e lo sviluppo di diversi tipi di materiali.
Le prime celle solari con colorante fotosensibile furono introdotte nel 1972 con l’utilizzo di clorofilla sensibilizzata su un elettrodo di ossido di zinco.
Negli anni successivi sono state fatte molte ricerche, ma non furono mai raggiunti livelli di efficienza significativi, questo perché una superficie piana di colorante sensibilizzato non può superare il limite dell’1% di efficienza.
La svolta è arrivata con l’introduzione del TiO2 in struttura nanocristallina che incrementa la superficie di contatto tra semiconduttore e colorante di circa un fattore 1000 aumentando di conseguenza la raccolta della luce e della carica prodotta.
Grazie a questa scoperta le celle solari organiche raggiunsero già nel 1991 un’efficienza record del 7%.
Questo ha dato il via ad un boom nella ricerca sulle celle solari organiche ed oggi lo stato d’arte dell’efficienza delle celle di Gratzel è intorno all’11,2%, per quanto riguarda i prototipi in laboratorio di dimensioni molto ridotte, che è inferiore a quella del silicio cristallino in modulo (12-17%) ma è superiore all'efficienza del silicio amorfo (5-8%).
Nel giro di qualche anno potrebbe essere raggiunto l'obiettivo di una efficienza del 15% in laboratorio e dell'8% nei moduli.
In teoria ottimizzati tutti i componenti si potrebbe arrivare in futuro a raggiungere una efficienza del 40%.
Uno dei punti di forza di queste celle è che sono di gran lunga meno costose dei sistemi convenzionali.
I materiali costituenti infatti sono economici, facilmente reperibili o preparabili e con una modularità strutturale praticamente infinita.
Un modulo DSSC può essere costruito attraverso procedure che eliminano gli alti costi di produzione, l'uso eccessivo di energia e l'impatto ambientale tipico dell'industria del silicio.
Basti pensare che il tempo necessario per riottenere dalla cella l'energia che è stata utilizzata per produrla (Energy payback time) è 2-4 anni, a seconda del luogo di operazione, per il c-Si mentre per le DSSC è al di sotto di un anno (con prospettive ancora migliori in un futuro prossimo).
E' stato stimato che il costo di produzione di una cella DSSC con 10% di efficienza è minore di 1$/Wp, mentre per le celle di silicio supera i 2$/Wp.
Per quanto riguarda la durata, test accelerati hanno evidenziato una sufficiente stabilità per 20 anni in normali condizioni operative.
Un altro punto di forza della tecnologia DSSC è rappresentato dal fatto che mentre le celle tradizionali necessitano di particolari condizioni di illuminazione (assenza di ombreggiamenti, particolare angolo di incidenza), le celle DSSC funzionano anche a diversi angoli di incidenza e in presenza di luce diffusa, come si può avere all'alba, al tramonto e nelle giornate nuvolose, e sono perfettamente integrabili nelle facciate degli edifici.
Per concludere, la tecnologia DSSC è oggi in uno stato di sviluppo avanzato ad è già in fase di produzione pilota.
La commercializzazione dei primi sistemi è partita e si ritiene da più parti che sarà ampliata nei prossimi anni per via del potenziale miglioramento dell'efficienza e diminuzione dei costi.