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Il fotovoltaico che verrà. Il futuro dei moduli di nuova generazione

Il fotovoltaico che verrà. Il futuro dei moduli di nuova generazione

Dai pannelli in silicio cristallino al film sottile e ai semiconduttori molto flessibili, in attesa che arrivino celle organiche e ibride

A cura di: Roberto Bonafini

Non fatevi ingannare da quello che si legge: il futuro del fotovoltaico non è in discussione. Se la politica per esigenze di bilancio decide di tagliare in giro per il mondo i costi di incentivazione all'energia solare, l'evoluzione della ricerca tecnologica sarà in grado di consentire, comunque, una sempre maggiore diffusione di questa energia rinnovabile, magari con materiali, forme e anche performances diversi rispetti a quelli che conosciamo oggi.  
I soliti e vituperati pannelli, ad esempio, con tutta probabilità lasceranno il posto a pellicole sempre più sottili e trasparenti, ma soprattutto molto più efficienti e con prezzi concorrenti da piena grid parity. Non è cieco ottimismo, ma la cronaca della naturale evoluzione dei materiali utilizzati nel solare. Si tratta del passaggio dalla prima generazione, quella storica vissuta nel  quotidiano, alla seconda, quella del silicio amorfo e di altri semiconduttori, che passerà poi la mano alla consacrazione definitiva attraverso la nuova generazione "organica".
Ma tra la fantascienza in pillole e il vorticoso sviluppo attuale c'è ancora di mezzo l'economia reale, quella capacità d'impresa che si sostiene grazie all'industria tradizionale fatta di catene di montaggio ed economia di scala. Chi realizza moduli - ma si potrebbe dire anche di qualsiasi altro manufatto - per competere si concentra nei piccoli cambiamenti di prodotto, nel solco già conosciuto e dal know-how consolidato, non pensando al modello che potrà essere sul mercato tra dieci anni.
 
Daremo quindi un'occhiata a quello che sta cambiando oggi nel mondo del modulo fotovoltaico, ma anche alle nuove evoluzioni della cosiddetta seconda generazione che ha già presentato interessanti soluzioni specie per il settore edilizio (come leapplicazioni sulle coperture industriali o che ben si adattano ad integrazione in facciata).
Tra le tendenze più a lungo termine - che fanno riferimento a dispositivi basati su semiconduttori organici - cercheremo infine di analizzare punti di forza e limiti potenziali per capire dove andrà il mercato, per riuscire a cogliere quali potranno essere le future opportunità.  
 
Prima generazione tra aumentata efficienza e leggerezza
Le celle monocristalline o multicristalline di silicio di prima generazione coprono oggi il mercato mondiale con quote comprese tra il 90% e il 95%. La produzione attuale consente  potenze anche molto elevate e record di efficienza prossime al 20%.
E' possibile costatare il progresso fatto: si è partiti dal 5% delle celle del lontano 1954 e si è arrivati al 24,7% del 1999. Negli ultimi dieci anni c'è stato un lievissimo miglioramento che ha portato il record al 25% nel 2008. È possibile stimare un valore teorico massimo previsto per il silicio, pari a circa il 26 - 27%. Il valore sperimentale ottenuto rappresenta circa il 94% del massimo teorico. Da ciò si può dedurre che l'attuale tecnologia delle celle al silicio ha praticamente raggiunto il suo limite: ulteriori miglioramenti potranno essere soltanto marginali1.
 
L'insostenibile leggerezza del pannello
A tutti i laboratori di R&D i produttori chiedono di trovare la soluzione migliore per un nuovo prodotto che abbia grosso modo queste caratteristiche: un'aumentata efficienza di conversione delle celle e della loro superficie fotosensibile, una ricerca di materiali che porti a moduli sempre più flessibili e realizzati con materiali al minor costo possibile. Nella realtà di tutti i giorni, stante le difficoltà di mercato provocato dal crollo dei prezzi, le aziende sono chiamate però a  puntare anche su altre caratteristiche.
Tra queste una maggiore leggerezza del modulo ottenuta attraverso il "dimagrimento" e l'assottigliamento dello stesso, con effetti complessivamente positivi su molti fronti.
Suntech Power, il maggior produttore al mondo di pannelli fotovoltaici, ha presentato una nuova versione della sua Serie-W di moduli fotovoltaici da 60 celle. I vantaggi del nuovo modulo, sono  proprio nel nuovo design più leggero e sottile. Lo spessore del frame è stato ridotto da 50mm a 35mm, e il peso totale del modulo è stato a sua volta notevolmente diminuito, da 19,1 kg a 18,2 kg. Tali modifiche dovrebbero rendere anzitutto il modulo più maneggevole durante l'installazione. Il nuovo frame è adottato da Suntech per tutti i nuovi moduli da 260W, in grado di raggiungere un livello di  efficienza di conversione del modulo pari al 16%.
Anche Jinko Solar ha messo in commercio moduli più leggeri e sottili dei moduli tradizionali. Con un peso ridotto fino a 1,5 kg e uno spessore che arriva a soli 20 mm, questi pannelli sono disponibili nelle versioni mono e policristallina, con una produzione fino a 260 watt.
Perde peso e riduce il proprio impatto ambientale anche Renewable Energy Corporation (REC). L'azienda europea ha lanciato  il nuovo REC Peak Energy Eco, un modulo solare saldato senza l'utilizzo di piombo. L'innovazione produttiva costante di REC ha consentito di eliminare tutto il piombo normalmente necessario nel processo di saldatura, con una conseguente drastica riduzione del piombo contenuto nei moduli.
 
 
 
Pannello Suntech serie W

 
 
Pannelli di seconda generazione, un vestito su misura
Si parla di fotovoltaico di seconda generazione da quando sono state impiegate tecnologie a film sottile al posto del silicio cristallino. La scelta, banalmente,  è basata sulla decisa riduzione dei costi di realizzazione delle celle di prima generazione. Il periodo di recupero energetico (Energy pay back time) è in fatti pari al tempo necessario ad una tecnologia per ammortizzare il costo del suo ciclo produttivo (per i dispositivi al silicio cristallino sono circa 4 o 5 anni).
Questa tecnologia, poi, oltre ad utilizzare una minore quantità di silicio, consente di ottenere moduli con spessore inferiore (non superiore a qualche micron), rispetto a quelli della prima generazione, oltre che a una maggiore flessibilità dal punto di vista meccanico.
I moduli vengono realizzati con strati sottili di materiali semiconduttori microcristallini, che si prestano alla deposizione in strati su lamine di sostegno, come il silicio amorfo, il di-seleniuro di rame indio gallio, il tellurio di cadmio. Per questa tecnologia, che tra l'altro richiede temperature di lavorazione sensibilmente inferiori alle precedenti, è stato possibile realizzare un processo industriale quasi completamente automatizzato, in grado di portare anche una forte riduzione dei costi di produzione, garantendo così nuove interessanti potenzialità sul mercato. Dal punto di vista delle applicazioni le opportunità sono molteplici grazie alla loro elasticità in grado di adattarsi alla realizzazioni dalle forme più varie, con caratteristiche anche di semitrasparenza e o ad effetto cromatico.
Entrando nel merito delle caratteristiche del silicio amorfo (a-Si), l'aspetto più interessante per le applicazioni fotoelettriche, è la possibilità di poterlo depositare a basse temperature (fino a 75°C) su superfici di vetro o di materiale plastico. È possibile utilizzare anche una giunzione ibrida silicio amorfo/ silicio microcristallino. I due materiali, entrambi semiconduttori, hanno caratteristiche complementari rispetto all'assorbimento della radiazione solare.
Il di-seleniuro di rame indio gallio (CIGS) è invece un tipo di materiale usato come materiale fotoassorbente per le celle solari a film sottile ed ha il coefficiente di assorbimento fra i più alti, tra i materiali utilizzati. È  anche per questo che viene considerato uno dei semiconduttori più promettenti nell'ambito della ricerca sulle celle solari.
Il telleruro di cadmio (CdTe) ha invece caratteristiche simili all'arseniuro di gallio o al silicio ma meno costoso, poiché sia il cadmio che il tellurio sono considerati materiali di scarto nei processi di estrazione dei minerali non ferrosi. L'efficienza mostrata è inferiore al 10%  e la pone tra le peggiori nelle tabelle di comparazione.
 
Ci sono, tuttavia, anche diverse controindicazioni nell'uso di queste tipologie di materiali: dopo alcune ore di esposizione, l'efficienza si abbassa fino al 6-7% per poi stabilizzarsi su questo livello. Ma resta anche un altro problema da risolvere, ossia l'inquinamento dei materiali, infatti, ad eccezione del silicio amorfo, gli altri materiali presentano caratteristiche di tossicità, che comportano problematiche di smaltimento a cessato utilizzo, oltre che alle varie precauzioni da applicare per la messa in sicurezza durante il loro periodo di attività.
La questione dell'efficienza rimane comunque il nuovo terreno di confronto per tutti. L'interesse per questa tecnologia è di casa anche in Italia, grazie al progetto per la produzione di moduli, condotto nei laboratori del Dipartimento di Fisica di Parma, che ha portato alla realizzazione di celle solari a base di CdTe/CIS (Diseleniuro di Rame
e Indio) con un'efficienza di conversione, tra le più alte, di oltre 15% in un processo di produzione semplificato ed innovativo.
 
 
Rotolo di silicio amorfo
 
 
L'aumento della superficie fotosensibile dei dispositivi, le celle multigiunzione
Lo scopo principale per chi studia, sperimenta e realizza celle fotovoltaiche, l'abbiamo detto più volte, è quello di migliorare sempre di più l'efficienza dei dispositivi nel convertire la radiazione solare in energia elettrica. L'area delle celle di produzione industriale è andata, in effetti, continuamente aumentando nel tempo, essendo passata dai circa 20 cm2 delle prime celle ai 225 cm2 delle celle attuali (a sezione quadrata di lato pari a 15 cm).
 
La teoria che sta alla base dell'approccio per migliorare l'efficienza di conversione delle celle fotovoltaiche risiede nel concetto di riuscire a raccogliere e utilizzare l'energia dei fotoni dell'intero spettro solare.
La terza generazione del fotovoltaico si basa su concetti innovativi che solo adesso, dopo aver ricevuto conferme sperimentali in laboratorio, cominciano a interessare i produttori che ormai si stanno aggiungendo ad avviare la fatidica fase della produzione industriale. Il nocciolo della questione sta nel fatto che una cella realizzata con un singolo materiale semiconduttore riesce a sfruttare soltanto una piccola porzione dello spettro solare. In poche parole si può dire che i dispositivi sono sensibili soltanto a determinati colori. Ad esempio, il silicio è in parte sensibile al blu, molto sensibile al verde e al giallo e poco al rosso, mentre è completamente insensibile all'infrarosso2.
 
 
Spettro radiazioni elettromagnetiche


Per il silicio, più della metà dello spettro solare sfugge alla conversione fotovoltaica e l'energia a esso associata viene persa. Tutto ciò limita l'efficienza di quei dispositivi che basano la produzione di energia elettrica sulle caratteristiche particolari possedute dal silicio; ed è proprio la volontà di abbattere questa barriera a spingere sempre più la ricerca sulle celle fotovoltaiche di terza generazione.
 
Uno dei principali risultati ottenuti sono avvenuti grazie alle celle multi-giunzione, che hanno in effetti trovato nel solare a concentrazione il modo per aumentare notevolmente l'efficienza. In questi sistemi la luce solare viene raccolta da lenti o specchi e poi viene indirizzata a una cella di dimensione molto piccola, dove viene sfruttata la sua elevata efficienza. Questo tipo di celle sono state sviluppate per i pannelli fotovoltaici dei satelliti spaziali e hanno raggiunto i migliori risultati in termini di efficienza.
In questo caso si crea un dispositivo unico capace di massimizzare la conversione della radiazione solare attraverso più strati sensibili in grado di assorbire lo spettro di emissione del Sole sull'intero intervallo di luce visibile.
La sovrapposizione dei vari strati viene realizzata in maniera tale che i fotoni che non sono assorbiti dal primo strato, attraversano la cella, che appare loro abbastanza trasparente, e per cui senza grosse perdite di energia vengono assorbiti dalla cella sottostante. In questo modo si altera, ampliando, la risposta spettrale della cella e di conseguenza la corrente generata risulta superiore al caso in cui avessi una singola giunzione. In questo modo si sfrutta in maniera più completa lo spettro solare.
 
 
 
Cella multi-giunzione
 
 
 
Fotovoltaico di terza generazione
Con la terza generazione non c'è l'ambizione di riuscire a sostituire il silicio, o la tecnologia a film sottile, ma di sviluppare nel breve-medio termine una tecnologia basata su materiali di derivazione "ambientale" con disponibilità pressoché illimitata. Ecco dunque le celle solari basate su semiconduttori di origine organica che sembrano avere potenzialità molto promettenti, sia per quanto riguarda l'efficienza di conversione, sia per la stabilità/durata nel tempo.
L'interesse per lo sviluppo di celle fotovoltaiche con tecnologie organiche che utilizzano semiconduttori polimerici o ibridi, è sempre più forte a livello internazionale sia da parte dei centri di ricerca pubblici e industriali.
Da un lato ci sono le celle solari organiche che basano il loro funzionamento sulla cooperazione di semiconduttori di natura esclusivamente organica e vengono anche chiamate OPVs (Organic Photovoltaics).  Possono essere polimeri (ma anche monomeri o dendrimeri) depositati in film sottili, possono essere solubili in vari solventi o insolubili. I film sottili di polimeri, di solito, si trovano in uno stato vetroso.
Dall'altro, ecco le celle ibride che vengono anche dette a colorante sensibilizzatore (DSSCs, Dye Sensitized Solar Cells). Esse sono composte da un semiconduttore di natura organica (colorante, Dye) e da uno di natura inorganica. I pigmenti provengono dall'industria chimica delle vernici, si tratta di piccole molecole aventi proprietà specifiche adatte all'assorbimento della luce e la generazione di cariche. I pigmenti solitamente si trovano sottoforma di film sottili policristallini. I coloranti (dye) hanno invece la stessa struttura e le stesse proprietà elettriche dei pigmenti solo che si presentano in forma liquida.
 
 
1 Fotovoltaico di prima generazione: il punto,  Domenico Coiante
 
2 Stato dell'arte del fotovoltaico organico , Elia Tessarin - Università di Padova
 
 

TEMA TECNICO:

Solare fotovoltaico

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