ITMI20111950A1 - Preparazione di manufatti cementizi ad alta finitura superficiale per utilizzo in dispositivi elettrici - Google Patents

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ITMI20111950A1
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consolidation
drying
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Roberta Alfani
Claudia Capone
Ottavio Antonio Rombola
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Italcementi Spa
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Description

DESCRIZIONE
Campo delTinvenzione
La presente invenzione riguarda generalmente il campo dei manufatti cementizi e dei loro utilizzi nel settore dell’energia. Si descrive un processo di ricoprimento di manufatti prefabbricati in cemento, i manufatti ottenuti con detto processo, ed il loro uso nel settore delle costruzioni, per applicazioni non strutturali, preferibilmente come elementi di rivestimento e copertura, sia di tipo orizzontale, sia di tipo verticale, con finalità di generazione e/o trasporto dell’energia; detti manufatti ricoperti, aventi basso spessore ed una bassissima rugosità superficiale, sono infatti utili quali substrati per deposizione di film metallici e altri film sottili, nella costituzione di dispositivi elettrici come ad es. celle solari. I prodotti risultanti sono particolarmente interessanti per applicazioni nel campo del building integrated photovoltaic (BIPV), ai fini dell’estetica e della ottimale integrazione dei moduli fotovoltaici nel contesto urbano.
Stato della tecnica
I dispositivi fotovoltaici sono sempre più frequentemente utilizzati nel contesto urbano, quale elemento integrativo nel campo delle costruzioni, allo scopo di produrre quantità utili di energia alternativa, riducendo il consumo di combustibili fossili e le relative emissioni inquinanti.
Per assolvere a questo compito è da tempo diffusa l’applicazione di pannelli solari sulle superfici esterne delle costruzioni. Questa soluzione comporta notevoli problemi di estetica, considerando la scarsa mimetizzabilità del pannello fotovoltaico e l’ampia superficie da esporre alle radiazioni solari per avere un ritorno energetico apprezzabile.
Le soluzioni finora proposte sono prevalentemente orientate a migliorare l’impatto visivo del pannello attraverso una sua migliore integrabilità con gli elementi delle costruzioni, ad mediante incassamento di una superficie a pannelli all’intemo di un tetto. In questi casi l’impatto estetico negativo del pannello viene solo parzialmente ridotto. Inoltre resta sempre una netta distinzione tra pannello e materiale da costruzione, il che vincola il costruttore a specifiche scelte costruttive, limitando la libertà di scelta di possibili soluzioni architettoniche.
La Richiedente è da tempo impegnata nella ricerca di nuove metodologie utili per convertire materiali tradizionalmente utilizzati nel settore delle costruzioni, in elementi fotovoltaici o parte degli stessi. Un tale approccio migliorerebbe la continuità tra elementi costruttivi ed elementi fotovoaltaici, a vantaggio dell’estetica complessiva degli edifici.
Il brevetto giapponese JP 6184731 descrive un processo di rivestimento di materiali duri quali legno, resine, vetro, mattoni, piastrelle con una resina termicamente resistente e un ulteriore strato metallico formato per sputtering o altri metodi. Tale tecnologia, non concepita per preparare dispositivi fotovoltaici, ottiene manufatti rivestiti con un’elevata memoria di superficie, ottenendo una superfìcie irregolare con motivi in rilievo, eventualmente incrementabili con incisioni ad hoc realizzate sul coating dopo applicazione al substrato; il manufatto viene poi ricoperto con un foglio metallico che mantiene il pattern sottostante. L'accentuazione dei rilievi superficiali secondo determinati patterns può soddisfare alcune esigenze estetiche; tuttavia i prodotti risultanti, alquanto rugosi, mal si prestano ad applicazioni elettroconduttive, in particolare applicazioni fotovoltaiche: queste ultime prevedono la ricopertura di substrati di supporto con films metallici molto sottili, spesso in condizioni drastiche di riscaldamento e pressione; sono pertanto privilegiati i supporti più lisci ed uniformi possibili, così da massimizzare nel tempo l’omogeneità e la stabilità di adesione tra metallo e supporto; un substrato liscio trasmette la sua regolarità di superficie anche ai film sottili sovraimposti (metallici e assorbitori) ottenendo una superficie esterna liscia, meno esposta all’accumulo superficiale di polvere ed inquinanti, che potrebbero danneggiare l’estetica della superficie nel corso del tempo, e/o ridurne l’efficienza energetica. Tali caratteristiche sono attualmente soddisfatte da materiali particolari, ad es. il vetro.
SOMMARIO
Oggetto della presente invenzione è un procedimento per la preparazione di manufatti cementizi ad alta finitura superficiale, utili per la preparazione di dispositivi elettrici, in particolare fotovoltaici, altamente integrabili nell’edilizia urbana. Il procedimento prevede il trattamento di un manufatto di partenza prefabbricato, in specifici intervalli di temperatura e pressione, per una durata di tempo determinata, seguito dalla ricopertura del manufatto con un film a base di un polimero scelto tra poliimmide, poliarilchetoni, resine epossidiche0simili resine termoindurenti. Si ottengono superfici cementizie termicamente resistenti con rugosità superficiale aritmetica media Ra molto bassa, controllata e regolare, prive di difetti puntuali, adatta alla deposizione di ulteriori films sottili. Tale soluzione risulta particolarmente vantaggiosa laddove, come nella maggior parte dei casi, 1 manufatti cementizi originali non posseggano i requisiti di rugosità superficiale richiesta dall’applicazione fotovoltaica. L’invenzione permette di realizzare manufatti cementizi quali lastre piane, elementi frangisole, elementi per facciate ventilate, ecc., ottenuti da malte a base cementizia, colate o realizzate per compressione in stampi, detti manufatti essendo adatti alla deposizione di ulteriori film sottili, metallici e assorbitori, pertanto utili alla realizzazione di celle e/o moduli fotovoltaici. In particolare, il rivestimento polimerico applicato secondo l’invenzione mantiene inalterate le suddette proprietà superficiali anche dopo esposizione alle condizioni di processo di temperatura e pressione richieste per la deposizione di film sottili di natura metallica, ad esempio a base di molibdeno, e di film sottili assorbitori, ad esempio a base di diselenuri di rame, indio (e gallio), cosiddetti CI(G)S, per la realizzazione di dispositivi fotovoltaici a film sottile.
DESCRIZIONE DELLE FIGURE
Figura la: superficie di manufatto cementizio ricoperta con film poliimmidico e film metallico di molibdeno, realizzata in accordo con il trattamento della presente invenzione.
Figura lb: superficie di manufatto cementizio ricoperta con film poliimmidico e film metallico di molibdeno, ottenuta senza il trattamento della presente invenzione.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL’INVENZIONE
NelFambito della presente invenzione, si intende come “manufatti cementizi a basso spessore rivestiti da film polimerici ad elevata qualità superficiale” corpi tridimensionali prefabbricati, da utilizzare nel campo delle costruzioni, per applicazioni non strutturali, rivestiti da opportuno film polimerico, sintetizzato su un materiale solido ottenuto dall’idratazione di composizioni cementizie. Per “basso spessore” o “spessore sottile” si intende uno spessore compreso tra 0.1 cm e 5 cm, preferibilmente tra 0.2 e 1 cm, più preferibilmente tra 0.3 e 0.5 cm.
La forma del manufatto cementizio di partenza, utilizzato nella presente invenzione, può variare ampiamente in funzione delle necessità costruttive; a titolo non limitativo si possono citare forme adeguate alla realizzazione di lastre piane, elementi frangisole, elementi per facciate ventilate, ecc.
Nel processo oggetto dell’invenzione, il manufatto cementizio di partenza non viene ricoperto tal quale, ma viene soggetto ad un pretrattamento in condizioni di pressione selezionate, comprese tra 10 e 750 mmHg, preferibilmente tra 50 e 600 mm Hg, più preferibilmente tra 100 e 500 mm Hg, ad una temperatura compresa tra 80 e 160°C, preferibilmente tra 100 e 150°C, più preferibilmente tra 110°C e 130°C, per un periodo di tempo compreso tra 40 e 120 minuti, preferibilmente tra 45 e 90 minuti, più preferibilmente tra 50 e 70 minuti.
Successivamente il manufatto viene rivestito con un coating polimerico; preferibilmente, tale fase segue direttamente al pretrattamento, ovvero senza stoccaggio intermedio. Il rivestimento polimerico può essere applicato in forma di soluzione, utilizzando tecniche in sé note, ad esempio spin coating, nebulizzazione, sputtering, ecc.. Una tecnica preferita è lo spin coating. Il polimero del rivestimento è preferibilmente poliimmide. Polimeri utilizzabili in alternativa sono poliarilchetoni, resine epossidiche, e simili resine termoindurenti.
La superficie del manufatto, contenente lo strato di soluzione di polimero, viene quindi consolidata ed essiccata sottoponendo il manufatto ad un trattamento termico secondo modalità note dipendenti dalla natura del polimero.
In una modalità preferita, il polimero di rivestimento è ottenuto direttamente sulla superficie del manufatto, deponendo su di essa una soluzione di un adatto precursore, convertibile in detto polimero mediante trattamento in situ; nel caso della poliimmide, il precursore utilizzato è l’acido poliammidico (ottenuto ad es. per copolimerizzazione di adatti monomeri quali bifenil-tetracarbossildianidride copolimerizzata con fenilendiammina, oppure da anidride piromellitica copolimerizzata con ossidianilina); l’acido poliammidico viene convertito in situ in poliimmide mediante trattamento termico, che comporta la disidratazione dell’acido poliammidico e l’evaporazione dell’acqua formata; questo trattamento richiede generalmente un primo riscaldamento a circa 120°C ad una pressione di circa 500 mm Hg, per circa 1 ora, seguito da un secondo riscaldamento a circa 300°C, a pressione ambiente, per 1-2 ore.
Lo spessore di soluzione del polimero di rivestimento applicabile al manufatto è funzione della rugosità di quest’ultimo·, ad esempio, manufatti con rugosità superficiale media aritmetica Ra di circa 500 micrometri, ricoperti con uno spessore di 300 micrometri (o superiore) di una soluzione di polimero di rivestimento al 5% in peso portano all’ottenimento di superfici con il necessario grado di regolarità / uniformità per le applicazioni fotovoltaiche; la quantità di rivestimento necessaria per manufatti con Ra differente può essere ricavata dai suddetti dati per proporzionalità diretta.
La rugosità superficiale media aritmetica (i?a) è un parametro standard, misurabile in modo automatizzato e riproducibile mediante profilometri. I valori di Ra qui riferiti sono ottenuti tramite un profilometro ottico 3D Talysurf CCI Lite, non a contatto, della Taylor -Hobson, munito di stage automatico e di autofocus. Profilometri alternativi forniscono risultati equivalenti. Il sistema utilizza l'interferometria a luce verde in scansione per ottenere immagini e misure delle parti analizzate, fornendo informazioni quantitative sulla struttura di superfici senza contatto fisico con esse. Il fascio luminoso, attraversato il cammino ottico del microscopio, viene diviso in due all'intemo dell'obiettivo interferometrico. Una parte viene riflessa dal campione mentre l’altra parte viene riflessa da una superficie di riferimento di alta qualità presente nell'obiettivo. I due fasci si ricombinano e la luce risultante viene diretta su una telecamera a stato solido. L'interferenza tra i due fronti d'onda genera un'immagine formata da bande chiare e scure, chiamate frange d'interferenza, che sono indicative della struttura superficiale della parte analizzata. Poiché le frange di interferenza si originano solo quando la superficie analizzata è a fuoco, è necessario effettuare una scansione verticale per poter acquisire gli interfero grammi che caratterizzano la quota di ogni pixel componente la matrice della telecamera CCD. La scansione viene effettuata per mezzo di un trasduttore piezoelettrico posto alla base della testa ottica del microscopio. Il sistema è equipaggiato con diversi tipi di obiettivi (50x, 20x, ΙΟχ, 5x, 2.5x) il cui utilizzo è funzione delle caratteristiche superficiali del campione da esaminare. Mano a mano che l'obiettivo effettua la scansione, la telecamera registra immagini dell’intensità delle frange di interferenza. L'analisi del dominio delle frequenze consente di localizzare la quota per ogni pixel in maniera univoca ed estremamente precisa. Le misure ottenute sono sia tridimensionali che bidimensionali: la misura verticale (perpendicolare alla superficie in esame) viene ottenuta per via interferometrica, mentre le misure laterali (sul piano del campione) si ottengono grazie alla taratura dell’ ingrandimento generato dall’obiettivo. I dati 3D caratterizzanti la superficie ottenibili usando la tecnica descritta sono i seguenti:
parametri di altezza: Sq, SSk, Sku, Sp, Sv, Sz, Sa, definiti secondo la norma ISO 25178;
parametri di planarità: FLTt, FLTp, FLTv, FLTq definiti secondo la norma ISO 12781;
I dati 2D caratterizzanti la superficie ottenibili usando la tecnica descritta sono i seguenti:
parametri di altezza: Rp, Ru, Rz, Re , Rt, Ra, Rq, Rsk , Rku, definiti secondo la norma ISO 4287;
parametri di spaziatura: RSm, Rdq, definiti secondo la norma ISO 4287;
parametri di picco: RPc, definito secondo la norma ISO 4287.
Il valore sopra indicato con Ra , tra i parametri di altezza, è la rugosità superficiale media aritmetica. Supporti utili per applicazioni fotovoltaiche, presentano valori di Ra preferibilmente compresi tra 10 e 150 nanometri, più preferibilmente tra 30 e 90 nanometri. Tali valori sono vantaggiosamente ottenuti dalla presente invenzione, come mostrato nella parte sperimentale.
Il manufatto ricoperto con il film polimerico consolidato, può essere rivestito con un ulteriore film metallico, ad esempio in molibdeno, rame, alluminio, platino, argento, oro, ecc., e con un film assorbitore, ad esempio i cosiddetti CI(G}S, films a base di diselenuri di rame, indio, (gallio), per la realizzazione di dispositivi fotovoltaici a film sottile. L’applicazione di questi ulteriori film può essere effettuata mediante tecnologie in sé note, ad esempio sputtering.
Grazie al rivestimento polimerico applicato in accordo con la presente invenzione, il manufatto cementizio non necessita di particolari tecnologie di produzione e di post-trattamenti di finitura superficiale ai fini della successiva applicazione di film sottili per la realizzazione di moduli fotovoltaici. Il rivestimento applicato in accordo con l’invenzione resiste efficacemente alle condizioni di vuoto e di riscaldamento tipiche dei processi di deposizione dei film sottili per applicazioni fotovoltaiche, senza la perdita delle caratteristiche di adesione al substrato cementizio e senza alterazione delle proprietà superficiali dello stesso. La bassa rugosità del substrato rivestito in accordo con l’invenzione si trasmette ai films sottili sovrimposti (metallico, assorbitore) , ottenendo una superficie finale liscia ed uniforme, di elevato valore dal punto di vista estetico, adesivamente stabile nel tempo, e protetta dall’accumulo di polvere ed inquinanti superficiali, con performance riproducibile nel tempo.
La presente invenzione si estende a manufatti cementizi ricoperti con un film polimerico ed opzionalmente con ulteriore films sovraimposti, aventi alta finitura superficiale, ottenuti grazie al processo dell’invenzione. I manufatti presentano preferibilmente spessore sottile, in particolare compreso tra 0.1 e 5 cm. L’invenzione si estende inoltre all’uso di detti manufatti nella preparazione di dispositivi elettrici, ed in particolare dispositivi fotovoltaici. L’invenzione include inoltre l’uso di detti manufatti nella realizzazione di elementi costruttivi cementizi dotati di attività fotovoltaica, ad esempio lastre, elementi frangisole, elementi per facciate ventilate, ecc.
L’invenzione viene ora descritta in modo non limitativo dai seguenti esempi.
PARTE SPERIMENTALE ESEMPIO 1.
Un substrato cementizio prefabbricato di spessore pari a 0.4 cm, precedentemente ottenuto per colatura in stampi di un’appropriata malta, è stato esposto alla pressione di 200 mmHg, a 120°C, per un periodo di tempo pari ad un’ora.
Il film poliimmidico di copertura è stato ottenuto per policondensazione da una soluzione in N-metilpirrolidone di acido poliammidico, ottenuto da bifenil-tetracarbossil-dianidride copolimerizzata con fenilendiammina.
La soluzione del precursore, ad una concentrazione del 5 % in peso, è stata applicata mediante spin coating, sul manufatto cementizio in quantità proporzionale alle dimensioni del manufatto stesso, ottenendo uno strato di soluzione polimerica con spessore di circa 400 micrometri. Il materiale, dopo l’applicazione, è stato posto in stufa ad una temperatura di 120°C, in condizioni di vuoto di 500 mm Hg, per un tempo di un’ora. Successivamente il campione è stato sottoposto ad un ulteriore trattamento termico a 300°C, a pressione atmosferica, per due ore.
Osservato dopo consolidamento ed essiccamento, lo strato di resina è risultato dall’analisi al profìlometro ottico omogeneo e continuo. Lo spessore del film di resina applicato è risultato pari a 20 micrometri e la sua rugosità superficiale media aritmetica pari a 40 nanometri. Il prodotto, realizzato secondo l’invenzione, presenta pertanto caratteristiche ideali per applicazioni fotovoltaiche.
ESEMPIO LA.
Il substrato cementizio rivestito ottenuto nell’esempio 1 è stato introdotto in una camera da vuoto di un dispositivo di sputtering per la deposizione di un film omogeneo di molibdeno metallico, per la realizzazione di una cella solare a film sottile a base di CIGS. Lo spessore del film è risultato pari a 500 nanometri. L’assenza di difetti superficiali ne ha consentito il continuo ed omogeneo ricoprimento con il film di molibdeno metallico, come mostrato in figura 1A.
ESEMPIO 2,
Un substrato cementizio prefabbricato di spessore pari a 0.4 cm„ precedentemente ottenuto per colatura in stampi di un’appropriata malta, è stato esposto alla pressione di 200 mmHg, a 120°C, per un periodo di tempo pari ad un’ora.
II film poliimmidico di copertura è stato ottenuto per policondensazione da una soluzione in N-metilpirrolidone di acido poliammidico, ottenuto da anidride piromellitica copolimerizzata con ossidianilina.
La soluzione del precursore, ad una concentrazione del 5 % in peso, è stata applicata mediante spin coating, sul manufatto cementizio in quantità proporzionale alle dimensioni del manufatto stesso, ottenendo uno strato di soluzione polimerica con spessore di circa 400 micrometri. Il materiale, è stato posto in stufa ad una temperatura di 120°C, in condizioni di vuoto da 500 mm Hg, per un tempo di un’ora. Successivamente il campione è stato sottoposto ad un ulteriore trattamento termico a 300°C, a pressione atmosferica, per due ore.
Osservato dopo consolidamento ed essiccamento, lo strato di resina è risultato dall’analisi al profilometro ottico omogeneo e continuo. Lo spessore del film di resina applicato è risultato pari a 25 micrometri e la sua rugosità superficiale media aritmetica pari a 80 nanometri. Il prodotto, realizzato secondo l’invenzione, presenta pertanto caratteristiche ideali per applicazioni fotovoltaiche.
ESEMPIO 3 (RIFERIMENTO)
Su un substrato cementizio uguale ai precedenti, ma non sottoposto al pre-trattamento secondo l’invenzione, è stata direttamente applicata, mediante spin coating, una soluzione di acido poliammidico, ad una concentrazione del 5% in peso, ottenuto da bifeniltetracarbossildianidride copolimerizzata con fenilendiammina, in quantità proporzionale alle dimensioni del manufatto stesso, ottenendo uno strato di soluzione polimerica con spessore di circa 400 micrometri. Il materiale, dopo l’applicazione, è stato posto in stufa a 120°C, in condizioni di vuoto di 500 mm Hg, per un tempo di un’ora. Successivamente il campione è sottoposto ad un ulteriore trattamento termico a 300°C, a pressione atmosferica, per due ore, per completare la reazione di polimerizzazione in situ.
Il manufatto così ottenuto, in assenza del pretrattamento secondo l’invenzione, è risultato discontinuo e disomogeneo; la rugosità superficiale media aritmetica è risultata pari a 530 micrometri, dunque assolutamente inadatta alla realizzazione di dispositivi fotovoltaici.
ESEMPIO 3. A (RIFERIMENTO)
Il substrato cementizio rivestito come ottenuto nell’esempio 3 è stato introdotto in una camera da vuoto di un dispositivo di sputtering per la deposizione di un film omogeneo di molibdeno metallico, per la realizzazione di una cella solare a film sottile a base di CIGS. La presenza di difetti superficiali dovuti al mancato pretrattamento del campione non ne ha consentito il continuo ed omogeneo ricoprimento con il film di molibdeno metallico, come mostrato in figura 1B.

Claims (18)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento di realizzazione di manufatti cementizi ad elevata finitura superficiale, adatti alla produzione di dispositivi elettrici, comprendente: a) trattare un manufatto cementizio in condizioni di pressione comprese tra 10 e 750 mm Hg, ad una temperatura compresa tra 80 e 160°C, per un periodo di tempo compreso tra 40 e 120 minuti. b) rivestire la superficie del manufatto interessata alla finitura con un film di un polimero scelto tra poliimmide, poliarilchetoni, o resine epossidiche.
  2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, dove il passaggio a) si effettua ad una pressione compresa tra 50 e 600 mmHg, ad una temperatura compresa tra 100 e 150°C, per un periodo di tempo compreso tra 45 e 90 minuti.
  3. 3. Procedimento secondo la rivendicazione 1, dove il passaggio a) si effettua ad una pressione compresa tra 100 e 500 mmHg, ad una temperatura compresa tra 110 e 130°C, per un periodo di tempo compreso tra 50 e 70 minuti.
  4. 4. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-3, dove il rivestimento al punto b) è applicato mediante spin coating.
  5. 5. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-4, dove il polimero al punto b) è formato in situ sulla superficie del manufatto cementizio.
  6. 6. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-5, dove il manufatto ottenuto al punto b) è ricoperto con uno o più ulteriori films, utili per applicazioni elettriche, in particolare fotovoltaiche.
  7. 7. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-6, dove il film polimerico realizzato in b) presenta, dopo consolidamento ed essiccamento, una rugosità superficiale media aritmetica Ra compresa tra 30 e 90 nanometri.
  8. 8. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-7, dove il film polimerico realizzato in b) presenta, dopo consolidamento ed essiccamento, uno spessore compreso tra 5 e 150 micrometri.
  9. 9. Manufatto cementizio ad elevata finitura superficiale, adatto alla produzione di dispositivi elettrici, ottenuto con il processo delle rivendicazioni 1-8.
  10. 10. Manufatto secondo la rivendicazione 9, dove il film polimerico presenta, dopo consolidamento ed essiccamento, una rugosità superficiale media aritmetica Ra compresa tra 30 e 90 nanometri.
  11. 11. Manufatto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 9-10, dove il film polimerico presenta, dopo consolidamento ed essiccamento, uno spessore compreso tra 5 e 150 micrometri.
  12. 12. Manufatto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 9-11, avente spessore sottile, preferibilmente compreso tra 0.1 e 5 cm.
  13. 13. Manufatto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 9-12, ricoperto con uno o più ulteriori film, utile per applicazioni elettriche, in particolare fotovoltaiche.
  14. 14. Manufatto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 9-13, in forma di lastra, elemento frangisole, elemento per facciata ventilata, o altro elemento utile per applicazione in building integrated photovoltaic (BIPV) ,
  15. 15. Dispositivo elettrico comprendente uno o più manufatti secondo le rivendicazioni 9-14.
  16. 16. Dispositivo secondo la rivendicazione 15, detto dispositivo essendo un dispositivo fotovoltaico.
  17. 17. Uso di uno o più manufatti secondo le rivendicazioni 9-14 nella preparazione di dispositivi elettrici, in particolare fotovoltaici.
  18. 18. Uso secondo la rivendicazione 17, dove detti dispositivi sono utilizzati nel settore del building integrated photovoltaic (BIPV).
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