Celle solari innovative: il genio di Michael Grätzel e le potenzialità delle energie rinnovabili

Celle solari modellate sulla natura

L'energia solare è una fonte di energia rinnovabile indispensabile. Il professore di chimica Michael Grätzel, ricercatore di prim'ordine dell'EPFL, ha dato un contributo pionieristico in tal senso. Ha inventato una cella solare basata su un modello biologico. Oggi ne guida con successo l'ulteriore sviluppo.

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Se esistono delle moderne cattedrali della sostenibilità, il centro congressi del campus EPFL di Losanna, inaugurato dieci anni fa, è certamente una di queste. Basta osservare la facciata ovest, composta da sottili pannelli di vetro nei colori giallo, verde, arancione e rosso. Non è solo un'attrazione visiva. Oltre all'aspetto, la sua funzione è stata determinante per il design. Qui non sono stati installati semplici vetri di finestre: la parete è composta da 300 metri quadrati di celle solari, una novità mondiale per l'epoca.

Chi pensa alle solite celle solari scure a specchio sui tetti delle case e nei parchi solari si sbaglia. I pannelli fotovoltaici dello "Swiss Tech Convention Centre" sono costituiti dalle cosiddette celle Grätzel, che non solo hanno un aspetto diverso, ma funzionano anche in modo diverso, perché imitano il processo biologico fondamentale della fotosintesi.

Prendono il nome dal loro inventore, il pluripremiato chimico Michael Grätzel. Lo svizzero di origine tedesca lavora da molti anni all'EPFL e ha contribuito in modo significativo al rapido progresso tecnologico nel campo dell'energia solare. Oltre al puro interesse per la ricerca, egli è spinto anche dalla consapevolezza ecologica. "Il cambiamento climatico è una sfida importante", afferma. "Dobbiamo fare a meno dei combustibili fossili e allo stesso tempo aumentare considerevolmente l'uso del fotovoltaico. Dopo tutto, l'energia solare è ormai una fonte di energia rinnovabile indispensabile". Anche grazie al suo lavoro.

Colorante che converte la luce solare in energia

Fondamentalmente, tutte le celle solari funzionano secondo un principio simile. Utilizzano la luce solare per generare energia elettrica: le radiazioni diventano elettricità. Le celle solari convenzionali si basano sul silicio, un materiale semiconduttore inorganico ottenuto dalla sabbia di quarzo. Le cellule Grätzel, invece, riescono a fare a meno del silicio. In esse, le molecole di colorante organico raccolgono la luce e trasmettono l'energia ai nanocristalli, generando corrente elettrica. Sono modellate sulle piante in cui i pigmenti verdi di clorofilla assorbono la radiazione solare. Questo è il processo di fotosintesi: l'energia solare viene convertita in ossigeno e zucchero e quindi immagazzinata.

"Già da studente ero affascinato dalla fotosintesi", racconta Grätzel. "Questo interesse è diventato particolarmente rilevante negli anni '70 durante la prima crisi petrolifera, quando ci era permesso di guidare le nostre auto e di fare rifornimento solo in misura limitata. È stato allora che ho pensato per la prima volta alla natura limitata delle nostre riserve di petrolio e alla questione di come sostituirle in futuro. La risposta era ovvia: perché non prendere la natura come modello per la produzione di energia?".

Detto e fatto. Anche altri ricercatori hanno voluto ispirarsi alla fotosintesi. Tuttavia, la scoperta di Grätzel è avvenuta quando lui e il suo collega Brian Regan hanno rivestito per la prima volta nanoparticelle di biossido di titanio con un colorante. Un approccio innovativo che si è rivelato inaspettatamente convincente. "Già la prima prova fu entusiasmante, perché l'effetto ottenuto fu di molte migliaia di volte superiore a quello previsto", afferma Grätzel. "Il nostro lavoro era in realtà puramente di ricerca di base, e la ricerca solare stessa era ancora agli inizi. Ma siamo riusciti a ricavarne un concetto per nuovi tipi di celle solari". Una rivoluzione nel campo del fotovoltaico e la nascita della cella di Graetzel, che l'inventore ha brevettato nel 1992 e che ora viene prodotta su scala industriale.

La produzione delle celle di Graetzel è relativamente semplice, a basso consumo di risorse e poco costosa. La pellicola di ossido di titanio contenente colorante viene applicata su lastre di vetro conduttivo. L'elettricità rinnovabile generata può essere trasferita direttamente a un apparecchio o a un impianto di stoccaggio. I pannelli sono trasparenti e, a differenza delle celle al silicio, molto efficienti anche in assenza di luce solare diretta e in condizioni di luce diurna diffusa. "Anche in condizioni di illuminazione sfavorevoli, raggiungono un'efficienza fino al 30% e sono migliori delle celle al silicio in queste circostanze", sottolinea Grätzel.

Le cellule con coloranti hanno già trovato mercati in cui competere. Ad esempio, come parte di grandi facciate in vetro, serre e lucernari. Le varianti più piccole e flessibili sono adatte a prodotti mobili come auricolari ed e-reader. Ma anche i sensori possono essere così alimentati senza una connessione diretta alla rete elettrica. Finora, tuttavia, tutte queste applicazioni non sono state dirette concorrenti delle celle al silicio, ma piuttosto complementari.

Nuove celle con efficienza da record

Tuttavia, la ricerca non è ferma, ma sta facendo rapidi progressi, in particolare per quanto riguarda un'innovazione: sulla base delle celle con coloranti originali, Grätzel ha sviluppato la cella di perovskite metallo-organica, che potrebbe essere più efficiente della cella di silicio. "Vedo i due modelli lavorare in tandem in futuro, o la cella di perovskite come concorrente diretto", dice Grätzel. Un obiettivo al quale potrebbe essersi avvicinato maggiormente con una recente pubblicazione. Insieme a un collega, ha presentato un nuovo progetto che conferisce alle celle di perovskite un'efficienza record di oltre il 25%, con una stabilità senza precedenti e quindi una durata particolarmente lunga. I ricercatori sperano che questo approccio permetta la commercializzazione di celle di perovskite, possibilmente adatte anche alle batterie e alla produzione di idrogeno. Sembra che non ci siano praticamente limiti all'uso di queste celle solari ad alte prestazioni, con un prodotto in particolare che potrebbe piacere allo stesso inventore: un casco da bicicletta con un effetto luce per una maggiore visibilità. "Io stesso pedalo ogni giorno lungo il lago di Ginevra fino a Losanna, in qualsiasi condizione atmosferica", dice Grätzel. "Non posso certo arrivare con una Porsche e poi predicare la consapevolezza ecologica".

Nel mondo della scienza, Michael Grätzel, nato nel 1944 nel villaggio sassone di Chemnitz, non è solo conosciuto ma anche famoso per lo sviluppo della cella di Grätzel e per altri lavori di ricerca. È stato premiato più volte e con i più alti riconoscimenti ed è considerato uno degli scienziati più citati in quattro categorie: Chimica, fisica, scienza dei materiali e ingegneria. Da anni Grätzel è in lizza per il Premio Nobel per la Chimica.

Una carriera unica, ma il cui corso non era predeterminato. Da giovane e talentuoso pianista, Grätzel vacillava tra due passioni, la musica e la scienza, che alla fine gli sembrava l'opzione più sicura. Ha quindi studiato chimica alla Freien Universität di Berlino e ha conseguito il dottorato in chimica fisica alla Technischen Universität di Berlino nel 1971.

Dopo aver ricoperto altri incarichi, anche negli Stati Uniti, si è trasferito in Svizzera: Nel 1977, Grätzel è stato assunto come Associated Professor di chimica fisica all'EPFL. Quattro anni dopo è stato nominato professore e da allora dirige anche il Laboratory of Photonics and Interfaces. Lo scienziato - che compie 80 anni l'11 maggio - svolge ancora oggi ricerche e lezioni come professore ordinario, anche se senza stipendio, al quale rinuncia volontariamente.

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