Sviluppo di tecnologie solari innovative basate su materiali riciclabili e riciclati

La proposta di Progetto di dottorato di ricerca si inserisce nella tematica dello sfruttamento dell’energia solare attraverso la tecnologia fotovoltaica o attraverso l’utilizzo diretto di luce per l’illuminazione di ambienti o di sistemi biologici. Nell’ambito delle tematiche proposte dal bando, sono particolarmente interessato allo sviluppo di moduli solari di nuova generazione che permettano di cambiare completamente il paradigma degli impianti fotovoltaici utility scale. Attualmente la ricerca in questo settore è fortemente polarizzata sulla realizzazione di moduli la cui aspettativa di vita sia di 30 anni. Questo comporta lo studio di sistemi più efficaci di isolamento dagli agenti atmosferici, l’utilizzo di strati di barriera di maggior spessore e di interconnessioni elettriche che permettano di garantire connessioni elettriche efficienti anche dopo anni di esposizione all’atmosfera. Questo approccio, se da un lato permette di incrementare il ritorno dell’investimento economico, ha spesso conseguenze negative sulla possibilità di riciclare in maniera efficace i moduli fotovoltaici al termine della loro vita utile. Esistono diversi processi di disassemblaggio dei moduli fotovoltaici ma raramente si rivelano economicamente convenienti in ragione dei costosi processi termici utilizzati per la separazione delle materie prime. Una ricerca di frontiera è quello sullo sviluppo di moduli fotovoltaici con struttura polimerica. Essi possono essere interamente in materiale polimerico, con celle fotovoltaiche realizzati in polimeri semiconduttori, o attraverso l’incapsulamento in una matrice polimerica di celle basate su silicio. L’utilizzo di polimeri per la realizzazione della struttura di moduli fotovoltaici ha diversi vantaggi, tra cui la possibilità di riciclare completamente il materiale di base attraverso processi unicamente chimici effettuati a temperatura ambiente. In letteratura sono stati studiati blend di PEN (Polyethylene naphthalate) e PET (Poly(ethylene terephthalate) che mostrano caratteristiche meccaniche ed ottiche adatte alla realizzazione della struttura di un modulo fotovoltaico. La possibilità di modificare la composizione di questo blend al fine di ottimizzare l’indice di rifrazione è un aspetto ancora da indagare che vorrei affrontare durante il mio progetto di dottorato. Dopo una prima fase di formazione sulla tecnologia fotovoltaica e sulla scienza dei materiali polimerici, conto di sviluppare in collaborazione con una azienda che ho contattato (Piazza Rosa Srl, controllata di Standex Engraving Mold-Tech) un processo per la colaminazione di lastre di PEN/PET dotate di uno strato di composti fluorurati a basso indice di rifrazione (n = 1.40). Grazie all’utilizzo di strumenti software come Zemax Opticstudio sarà possibile simulare lo stack più efficace per promuovere l’accoppiamento ottico verso l’esterno al fine di incrementare la radiazione incidente sulle celle fotovoltaiche. Un ulteriore aspetto che verrà affrontato durante il progetto di dottorato sarà la modellazione termica e meccanica del modulo fotovoltaico in modo da poter calcolare la temperatura operativa delle celle fotovoltaiche in condizioni operative. Come è noto l’efficienza di conversione delle celle fotovoltaiche dipende dalla temperatura della giunzione, e la ridotta conducibilità termica della plastica potrebbe pregiudicare le caratteristiche elettriche del dispositivo. La modellazione tramite software multiphysics come COMSOL permetterebbe di valutare preventivamente la temperatura attesa dei dispositivi fotovoltaici e quindi creare una funzione di merito con cui valutare la convenienza dell’utilizzo di materiali polimerici rispetto alla tecnologia attualmente disponibile. La suddivisione delle attività del progetto di dottorato potrebbe essere articolata 4 Work Packages della durata complessiva di 36 mesi: WP1: Modellazione della caratteristiche ottiche dei polimeri e degli additivi utilizzati come matrice per pannelli fotovoltaici a base polimerica (M1-M12, Unife); WP2: Progettazione ottica e meccanica di diverse tipologie di moduli fotovoltaici basati su blend di PEN/PET (M6-M24, Unife-Azienda); WP3: Realizzazione e caratterizzazione dei prototipi a base polimerica. Colaminazione di lastre con film fluorurato a basso indice di rifrazione (M13-M30, Azienda); WP4: Caratterizzazione del prototipo in ambiente operativo, come aree orbane e contesti industriali (M13-M36, Unife-Azienda). Le fasi di caratterizzazione dei materiali e dei componenti sviluppati nell’ambito del progetto verranno condotte principalmente presso l’Università di Ferrara, ma si cercherà di creare una sinergia tra il mondo dell’azienda e quello dell’accademia grazie ad una serie di incontri che avverranno con cadenza regolare, volti a proporre e discutere soluzioni e metodologie per lo studio dei prototipi realizzati. Le tecniche di caratterizzazione che vorrei acquisire e utilizzare nell’ambito del progetto di dottorato spaziano dalla microanalisi EDXS, la caratterizzazione FTIR e la ellissometria spettroscopica. Queste tecniche saranno utilizzate per individuare la struttura e le proprietà chimiche e ottiche dei blend sviluppati in collaborazione con l’azienda. Durante l’attività di dottorato valuteremo la possibilità di depositare brevetti industriali volti a proteggere la proprietà intellettuale sviluppata, e valorizzeremo la divulgazione dei risultati attraverso pubblicazioni scientifiche su riviste internazionali.

Standex Engraving Mold Tech attraverso la controllata Piazza Rosa S.r.l.

Periodo: 6 mesi

Il progetto è coerente con i seguenti Ambiti di Ricerca e Innovazione del PNR 2021-2027:

5.5.3 Energetica industriale Tecnologie per le smart grid, le fonti rinnovabili e la generazione distribuita
articolazione 1 Generazione di energia da FER, accumuli energetici e reti europee e intercontinentali