La prima cella fotovoltaica organica al mondo su un film in polipropilene riciclato da materiale di imballaggio per sacchetti per bevande. Credito: PC OET Organic Electronics Technologies
I partner del progetto UE FlexFunction2Sustain si sono impegnati a creare una rete per soluzioni innovative per prodotti sostenibili e intelligenti alimentati da carta e plastica nano-funzionalizzate al fine di supportare PMI, start-up e industrie nello sviluppo e nel lancio sul mercato di prodotti pionieristici . Dopo i primi due anni, sono emersi numerosi risultati promettenti e prototipi che saranno presentati alla Conferenza per le tecnologie industriali IndTech 2022 a Grenoble, Francia, dal 27 al 29 giugno 2022. Tra questi, un punto culminante recentemente finalizzato: il primo lavoro cella fotovoltaica organica su plastica riciclata.
Di recente, partecipanti provenienti da tutto il mondo si sono incontrati al vertice sull’ambiente di Stoccolma+50 e hanno sottolineato l’urgenza di procedere rapidamente con le misure di protezione ambientale e climatica. I rifiuti del nostro pianeta e dei suoi oceani stanno progredendo inesorabilmente. Uno dei principali fattori trainanti dei rifiuti di plastica sono i materiali di imballaggio, necessari per prolungare la durata di conservazione degli alimenti o per proteggere i prodotti delicati e i prodotti farmaceutici da influenze ambientali dannose. Inoltre, l’imballaggio intelligente apre molte nuove e utili possibilità grazie all’elettronica flessibile. In futuro, i materiali di imballaggio di breve durata per i medicinali, ad esempio, saranno dotati di un’elettronica flessibile per monitorare l’assunzione di farmaci o tracciare i prodotti sensibili durante il loro percorso di consegna.
Il riciclaggio della plastica e l’utilizzo di materiale riciclato per gli imballaggi è una pietra miliare importante sulla strada verso una maggiore protezione ambientale e la riduzione dei rifiuti di plastica. Per sostituire tali materiali compositi e multistrato che non sono riciclabili o degradabili, si stanno discutendo nuove composizioni polimeriche (a base biologica e/o biodegradabili) e design di prodotti adattati come approccio risolutivo. Negli imballaggi intelligenti, anche l’elettronica deve essere considerata in modo più rispettoso dell’ambiente e, ad esempio, progettata per essere riciclabile e prodotta utilizzando materiali riciclati. Numerose startup e aziende innovative hanno creato concetti per prodotti di imballaggio sostenibili, flessibili e intelligenti.
Riunendo 19 partner provenienti da ricerca, università e industria in tutta Europa, FlexFunction2Sustain mira a supportare le piccole e medie imprese nel portare sul mercato concetti e idee innovativi per prodotti basati su superfici e membrane di plastica e carta nanofunzionalizzate. La rete FlexFunction2Sustain, un banco di prova per l’innovazione aperta (OITB) per le tecnologie di nanofunzionalizzazione, offre servizi completi per supportare l’innovazione, ad es. g. dalla progettazione di materiali e prodotti, alla tecnologia e allo sviluppo del prodotto, dalla produzione in piccoli lotti all’approvvigionamento di fondi per lo sviluppo.
Due anni di FlexFunction2Sustain: cosa è emerso?
Durante i suoi primi due anni, il consorzio ha costituito un’associazione che ha lo scopo di strutturare e sfruttare il portafoglio di servizi del membro dell’OITB. Pertanto, attraverso questa associazione, la partnership prevede di fornire un accesso facile e rapido alle strutture e ai servizi OITB per le PMI, le start-up e l’industria. Per facilitare il processo di commercializzazione, il cliente ottiene l’accesso all’OITB attraverso un’entità di vendita e gestione dei progetti con punto di ingresso singolo (SEP). Un SEP consulta il cliente nella selezione delle tecnologie appropriate e coordina tutto il lavoro di sviluppo e l’interazione con i membri OITB per il cliente. FlexFunction2Sustain istituirà punti di contatto regionali per fornire la migliore esperienza utente possibile e per portare l’OITB nell’intero mercato unico europeo.
I primi prototipi di prodotti in plastica e carta nuovi ed ecologici sono stati preparati e valutati in diversi scenari di casi d’uso industriali. Questi includevano imballaggi per alimenti e cosmetici riciclabili/compostabili, membrane per filtri dell’acqua e strumenti diagnostici, superfici in plastica intelligenti per applicazioni automobilistiche ed etichette biodegradabili di sicurezza e anticontraffazione.
Il coordinatore del progetto, il Dr. John Fahlteich, riassume: “Siamo orgogliosi di presentare la prima cella fotovoltaica organica (OPV) funzionante su un substrato di polipropilene riciclato insieme a un’intera gamma di dimostratori tecnologici all’IndTech 2022 di fine giugno a Grenoble, in Francia”. Oltre alla cella OPV, verranno mostrati diversi concetti di prodotto innovativi tra cui:—buste per bevande completamente riciclabili,—caratteristiche ottiche su pellicola biodegradabile,—confezioni innovative per alimenti freschi in carta semitrasparente—filtri per siringhe a membrana per applicazioni diagnostiche e filtri per l’acqua.
Il Dr. Fahlteich continua: “A IndTech, FlexFunction2Sustain è incorporato in una sezione dedicata della mostra che presenta le innovazioni e i servizi di 13 diversi banchi di prova per l’innovazione aperta che affrontano una varietà di tecnologie e applicazioni che vanno dai biomateriali alle superfici nano-abilitate verso l’eco-compatibilità e soluzioni efficienti dal punto di vista energetico per gli involucri degli edifici. Un ampio portafoglio di soluzioni tecnologiche attende le PMI e l’industria in loco. Non vediamo l’ora di scambiare idee e avviare progetti con futuri partner di PMI, start-up e industria”.
La prima cella fotovoltaica organica al mondo su polipropilene riciclato
I partner del progetto Fraunhofer IVV e IPC Center Technique Industriel de la Plasturgie et des Composites hanno utilizzato polipropilene riciclato (rPP), recuperato da un materiale di imballaggio di nuova concezione per sacchetti per bevande riciclabili, mescolato con polipropilene vergine (vPP) per produrre una pellicola di substrato per l’elettronica stampata con un contenuto di riciclo del 50%.
Al Fraunhofer FEP, un elettrodo trasparente, realizzato in ossido di indio-stagno (ITO), è stato applicato mediante rivestimento sottovuoto roll-to-roll (R2R) con sputtering magnetron con una serie di parametri di processo e di avvolgimento appositamente adattati. Il risultato è impressionante, poiché nonostante i riciclaggi utilizzati nel substrato, l’ITO ha mostrato quasi la stessa resistenza del foglio ottenuta su substrati di pellicola incontaminati.
Organic Electronics Technologies PC (OET) in Grecia ha quindi eseguito il rivestimento slot-die R2R per produrre celle OPV, seguito da una fase di incapsulamento sulla stampa dei materiali organici e la finalizzazione delle celle OPV. Qui, i ricercatori di OET hanno eseguito diverse prove sui parametri di rivestimento e alla fine sono riusciti a stampare gli strati OPV funzionali sul substrato di PP realizzato con il 50% di rPP recuperato dal materiale di imballaggio delle buste per bevande. Di conseguenza, è stato dimostrato che l’OPV funziona come un dispositivo con un’efficienza massima dell’1%.
Il project manager di OET Vasileios Kyriazopoulos: “L’efficienza di conversione dell’energia di circa l’1% è già sufficiente per fornire un’ampia gamma di produzioni di imballaggi intelligenti monouso con energia elettrica sufficiente. Attualmente, le celle OPV su substrati disponibili in commercio possono raggiungere efficienze superiori all’8% , quindi, migliorando l’intero processo di fabbricazione, compresa l’estrusione del film, la progettazione dello strato, la stampa e l’incapsulamento, è possibile aumentare l’efficienza delle celle OPV stampate su materiale riciclabile, che è realizzato con il 50% di rPP, di oltre il 5%. “
Questo rappresenta un primo passo importante nello sviluppo di design di prodotti più rispettosi dell’ambiente e di elettronica flessibile. In futuro, sulla base di questi sviluppi iniziali potranno essere progettati prodotti come il packaging intelligente, ma anche riviste interattive nel campo della pubblicità o dell’elettronica di consumo. Grazie all’elettronica flessibile come una cella OPV su materiale riciclato, i prodotti di domani saranno alimentati in modo un po’ più rispettoso dell’ambiente.
Naturalmente, i risultati iniziali indicano solo la strada da percorrere. In futuro, il consorzio FlexFunction2Sustain lavorerà per migliorare il processo di estrusione del film riciclato. Inoltre, è all’ordine del giorno lo sviluppo di un nuovo design dello strato per una migliore qualità della superficie. Il processo OPV ha anche il potenziale per migliorare le temperature di essiccazione e le strategie di incapsulamento. Tutti insieme portano alla prospettiva di raggiungere prestazioni simili dell’elettronica flessibile a quelle ottenute con film plastici incontaminati a base fossile.