Cosa sono le finestre fotovoltaiche smart e perché saranno elementi essenziali degli edifici intelligenti

Una finestra fotovoltaica “smart”, ovvero capace anche di trasmettere dati wireless: è lo straordinario risultato cui sono giunti i ricercatori dell’Università di Milano-Bicocca e del CNR-INO, in collaborazione con Glass to Power S.p.A. e il Laboratorio europeo di spettroscopia non lineare (LENS) di Firenze. I risultati dello studio sono stati pubblicati a febbraio sulla rivista Advanced Energy Materials.

Uno strumento per valorizzare le facciate degli immobili

Il prototipo sviluppato dai ricercatori ha molteplici vantaggi. Prima di tutto, “il fotovoltaico architettonicamente integrato (Building Integrated Photovoltaics) non apporta modifiche radicali all’aspetto degli edifici e in alcuni casi, addirittura, consente di migliorarlo perché i materiali impiegati hanno una resa cromatica molto particolare e gradevole”, spiega Jacopo Catani, primo ricercatore del CNR-INO.

“Consente inoltre di funzionalizzare superfici tipicamente passive, capaci di causare dispersioni termiche, come le facciate degli immobili”. Si tratta infatti di una tecnologia che integra la produzione di energia elettrica rinnovabile all’isolamento termico e acustico. E la possibilità di impiegarla su superfici ampie come le facciate compensa il fatto che sia meno efficiente di un modulo da tetto: basti pensare ai risultati che si possono ottenere posizionandola sui grattacieli, che hanno una base molto più piccola dell’altezza.

Finestre fotovoltaiche smart per la #greenenergy e le comunicazioni ottiche del futuro
Da @CNR_INO e @unimib, la prima finestra ibrida capace di generare energia dalla luce solare e ricevere dati attraverso la luce visibile in modalità wirelesshttps://t.co/eTYuOwm1lp@MC_Carro pic.twitter.com/dLPLqyuJ5y

— CNR Consiglio Nazionale delle Ricerche (@CNRsocial_) March 12, 2024

I vantaggi dei Quantum Dots

I dispositivi sono stati realizzati sfruttando nuovi concentratori solari luminescenti a Quantum Dots. “Un concentratore solare luminescente consiste in una lastra che assorbe la luce solare e la trasforma in luce infrarossa che rimane intrappolata al suo interno e viene riflessa su tutte le facce finché non arriva ai bordi. Soltanto a quel punto ‘le concediamo’ di uscire, perché accoppiamo lungo i bordi delle celle solari colpite apposta per estrarre la luce. Inizialmente, questi dispositivi erano stati pensati per ridurre la quantità di materiale fotovoltaico impiegata”, chiarisce Sergio Brovelli, docente dell’Università di Milano-Bicocca e presidente del consiglio scientifico di Glass to Power, di cui è cofondatore.

“Fino a qualche anno fa, si impiegavano molecole organiche luminescenti, che però portavano a tassi di efficienza poco elevati e a lastre molto colorate, cosa che ne impediva l’integrazione architettonica. Noi abbiamo risolto il problema utilizzando i Quantum Dots, che sono valsi ai loro scopritori il Nobel per la Chimica 2023. Sono nanoparticelle fatte di materiali semiconduttori che possono assorbire ed emettere nell’infrarosso, evitando però di assorbire la loro stessa luminescenza”.

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Dalla rete Wi-Fi alla tecnologia Li-Fi

A tutto questo si aggiunge la novità della trasmissione dati grazie alla tecnologia nota come Visible Light Communication (VLC), anche detta Light Fidelity (Li-Fi), che sfrutta le onde luminose emesse dai LED al posto delle onde radio. “È l’aspetto più innovativo del dispositivo”, prosegue Catani. “È dato dalla modulazione dell’intensità luminosa dei LED: parliamo di variazioni che sono impercettibili all’occhio umano, ma che permettono di codificare un flusso di dati all’interno della luce stessa. Quindi, se si dispone di un ricevitore opportunamente configurato, è possibile andare contemporaneamente a illuminare gli ambienti e a trasmettere informazioni di qualunque natura”.

Queste informazioni possono essere legate alla navigazione internet o alla gestione di una casa intelligente, consentendo per esempio di monitorare la temperatura, tirare le tende o attivare l’oscuramento elettrocromico. I ricercatori stanno studiando anche le possibili applicazioni nell’ambito dell’agrivoltaico e, quindi, nella gestione di serre smart.

Un futuro sempre più smart

Il dispositivo è in grado di funzionare come trasmettitore di dati anche sotto la luce solare diretta, combinando la produzione di energia con la connettività wireless e trasformandosi in una soluzione realistica per edifici intelligenti e sostenibili, veri protagonisti delle smart cities del futuro.

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“Il fatto che si possano trasmettere dati attraverso una modulazione dell’intensità delle sorgenti luminose ha una rilevanza tale da essere compreso nello standard 6G, ovvero lo standard di prossima generazione per i sistemi di comunicazione a livello globale, successivo al 5G: questo significa che è già previsto l’utilizzo della luce per le comunicazioni ottiche wireless”, dice Catani.

“È quindi fondamentale mettere a punto strumenti che siano efficienti dal punto di vista energetico e permettano di mettere in rete un numero di dispositivi connessi sempre crescente. La nostra tecnologia vanta un grado di maturità tecnologica abbastanza avanzato”. Con ogni probabilità, basteranno pochi anni di ricerche ulteriori per immetterla sul mercato.

La gestione a fine vita

Nel frattempo, Glass to Power ha già pensato anche alla gestione a fine vita delle vetrate fotovoltaiche, rendendole molto più sostenibili grazie all’utilizzo di Quantum Dots che non contengono metalli pesanti. Sono certificate per durare dieci anni, come tutte le finestre: un risultato straordinario per una nuova tecnologia.

“A fine vita, l’oggetto viene smontato: il vetro segue la sua filiera, la plastica può essere depolimerizzata e a quel punto si può recuperare anche la piccola percentuale di materiale contenuta nei Quantum Dots, andando così a favorire un processo di recupero delle materie prime critiche. Stiamo seguendo questi aspetti grazie a un progetto con il Critical Raw Materials Innovation Network, anche per testare la realizzazione di nuovi dispositivi a partire da polimetilmetacrilato da riciclo”, conclude Sergio Brovelli.