Pannelli fotovoltaici realizzati con plastica riciclata

Pannelli fotovoltaici realizzati con plastica riciclata è l’idea alla base del nuovo progetto dell’Università di Pisa. La tecnologia studiata dai ricercatori si basa su concentratori solari luminescenti (LSC): lastre trasparenti e colorate in materiale acrilico (Pmma) ottenuto da rifiuti plastici rigenerati, capaci di catturare la luce solare e convogliarla verso piccoli moduli fotovoltaici installati sui bordi.

La ricerca ha confrontato per la prima volta, in modo sistematico, le prestazioni di pannelli realizzati con plastica acrilica vergine e con quella ottenuta da processi di riciclo chimico. I risultati hanno mostrato che, a parità di prestazioni ottiche ed elettriche, i pannelli in plastica riciclata permettono una riduzione delle emissioni di CO₂ fino al 75%.

I test di laboratorio e in condizioni reali (su tetti e facciate esposte al sole) hanno confermato la validità dei materiali e la loro durata nel tempo. Una prima applicazione di questa tecnologia è già visibile nella pensilina fotovoltaica installata a Livorno nel 2023, nata da un progetto dell’Università di Pisa finanziato dalla Regione Toscana, ma la differenza è che in quel caso erano state utilizzate lastre di acrilico da sintesi, non riciclate.

La tecnologia è pensata per essere integrata in vetrate, pensiline, serre e facciate trasparenti. “Abbiamo dimostrato che è possibile ottenere concentratori solari per pannelli fotovoltaici efficienti utilizzando plastica rigenerata invece di materie prime fossili – spiega il professor Andrea Pucci, coordinatore della ricerca – il nostro obiettivo è portare il solare dentro le città, in modo colorato e sostenibile”.

*Esempio d’installazione della tecnologia del concentratore solare luminescente (LSC). Immagine: Università di Pisa*

Ai fini dello studio i ricercatori hanno fabbricato LSC a lastra di 5 × 5 × 0,3 cm3 mediante polimerizzazione a radicali liberi di metacrilato di metile (MMA) rigenerato chimicamente o vergine mescolato con il fluoroforo Lumogen F Red 305.

L’MMA rigenerato (r-MMA) ha una purezza del ≈99%, con impurità composte principalmente da esteri di metile ed etile con 3-4 atomi di carbonio. L’uso di un monomero riciclato nel processo di produzione di LSC ha consentito di ottenere dispositivi paragonabili a quelli che utilizzano MMA sintetico, con proprietà termomeccaniche, aspetto ottico e prestazioni quasi identiche.

In particolare, evidenziano gli scienziati nella ricerca, la presenza di MMA non reagito ha influito negativamente sulle efficienze fotoniche degli LSC, mentre la presenza di isobutirrato di metile (MIB) nella composizione di r-MMA ha accelerato la fotodegradazione degli LSC, “forse a causa di meccanismi di degradazione innescati dai raggi UV”.

Per valutare la capacità di concentrazione della luce dei dispositivi, gli scienziati hanno caratterizzato le efficienze fotoniche degli LSC LR305/r-Pmma e LR305/Pmma in termini di efficienza fotonica interna (ηint) e di efficienza fotonica esterna (ηext).

Efficienze LSC in funzione della concentrazione di fluoroforo nei campioni LR305/r-PMMA e LR305/PMMA. (a) Rendimento quantico del fluoroforo; (b) efficienza fotonica interna; (c) efficienza fotonica esterna; (d) efficienza del dispositivo elettrico. Immagine: Università di Pisa

Le LSC a base di r-PMMA hanno sistematicamente ottenuto un ηext più elevato rispetto alle loro controparti non riciclate per tutta la serie, con differenze di circa 0,5% o superiori per concentrazioni superiori a 350 ppm di LR305. Una discrepanza attribuita alla differenza di trasparenza delle diverse matrici di Pmma.

Infine, hanno misurato le efficienze elettriche del dispositivo (ηdev). L’andamento di ηdev è coerente con quello di ηext, poiché entrambi i parametri valutano la capacità del dispositivo di raccogliere in modo efficiente la luce incidente. Anche in questo caso, gli LSC a 400 ppm hanno raggiunto prestazioni ottimali sia nel caso delle matrici Pmma che r-Pmma, con differenze statisticamente significative.

In base ai dati sulle prestazioni ambientali pubblicati nell’International EPD System, i ricercatori riportano che il riciclo del Pmma consente di ridurre il global warming potential (GWP) dei dispositivi finali a circa un quarto rispetto all’uso di materiali vergini. “Questa marcata differenza diventa molto più significativa se confrontata con l’impatto ambientale della produzione di celle fotovoltaiche in silicio”, si legge nel documento.

In particolare, l’impatto della produzione di LSC passa da oltre 30 a solo 6 volte l’impatto della produzione della cella Si-PV collegata, sostituendo l’alimentazione MMA con r-MMA nella sintesi del Pmma. L’ottimizzazione del processo di purificazione dell’r-MMA, per rimuovere isobutirrato di metile (MIB) e impurità simili, sarebbe vantaggiosa per la durata del dispositivo.

Nel complesso, lo studio dimostra la fattibilità dell’utilizzo di r-MMA ottenuto dagli scarti di lavorazione del Pmma per massimizzare l’impiego di LSC nel fotovoltaico urbano in modo più sostenibile. Tuttavia, evidenzia l’importanza della purezza dell’r-MMA per tali applicazioni, se si vogliono dispositivi con una lunga durata.

Lo studio Assessing the performance of sustainable luminescent solar concentrators based on chemically recycled poly(methyl methacrylate) è stato pubblicato su RSC Applied Polymers ed è stato selezionato dalla Royal Society of Chemistry per una collezione dedicata agli obiettivi di sviluppo sostenibile delle Nazioni Unite. Il lavoro si è svolto nell’ambito di Luce, un progetto Prin finanziato dall’Unione Europea nell’ambito del Next Generation EU.

Per l’Università di Pisa, insieme a Pucci, lavorano a Luce Marco Carlotti e i ricercatori Alberto Picchi e Hanna Pryshchepa, in collaborazione con il CNR-Iccom di Firenze e l’Università di Napoli Federico II.

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