Tecnologie del fotovoltaico: soluzioni emergenti, materiali, ricerca & sviluppo e sostenibilità

Sono diverse le tecnologie del fotovoltaico sviluppate o che promettono sviluppi nel prossimo futuro. A metterlo in evidenza è un report pubblicato sul Journal of Photonics for Energy sullo stato dell’arte del fotovoltaico emergente.

Il contributo, a firma di 41 esperti mondiali del settore, illustra molteplici soluzioni ed evidenzia, una volta di più, le opportunità che offre l’energia solare. È un comparto, come spiega il rapporto sostenuto in parte dalla National Science Foundation degli Stati Uniti e da altri organi dipartimenti e centri di ricerca, che è cresciuto fino a diventare una componente significativa del panorama energetico, contribuendo al 4,5% circa dell’elettricità mondiale generata.

L’Agenzia internazionale dell’Energia, nel recente “Renewables 2023” ha messo in evidenza il peso specifico del solare: sulla quantità totale di capacità energetica da rinnovabili record aggiunta lo scorso anno – aumentata del 50% rispetto al 2022 – tre quarti provengono dal fotovoltaico.

Tuttavia, come ha rilevato la stessa IEA, si rende necessaria un’ulteriore crescita del solare e delle altre fonti rinnovabili per mitigare l’impatto delle emissioni globali di gas serra. In particolare, il fotovoltaico deve crescere del 25% circa ogni anno con un obiettivo di 75 TW di installazioni globali entro il 2050.

Quindi, occorre far spazio non solo alle tecnologie oggi consolidate al silicio, ma creare le condizioni per sviluppare soluzioni come film sottile, perovskite, fotovoltaico organico e celle solari sensibilizzate da coloranti (celle di Graeztel).

Tecnologie del fotovoltaico: silicio e gli altri

Nel panorama odierno, le tecnologie del fotovoltaico prevalenti sono quelle al silicio. Ma per un futuro in cui c’è enorme necessità di contare su molteplici soluzioni per raggiungere gli obiettivi a lungo termine si devono mettere a punto nuovi materiali, dispositivi e strategie di light management che consentano maggiori efficienze e soluzioni più scalabili, oltre che un’attenzione particolare alla sostenibilità.

Il report parte dalle tecnologie consolidate, evidenziando innanzitutto che quella di silicio bifacciale è cresciuta nei sistemi fotovoltaici commerciali perché garantisce prestazioni più elevate e un costo livellato dell’energia inferiore rispetto alla tecnologia fotovoltaica monofacciale convenzionale.

Si ritiene la tecnologia che sarà largamente protagonista anche nel futuro: secondo il rapporto ITRPV entro il 2033, le celle bifacciali costituiranno il 90% degli impianti fotovoltaici al silicio. Sempre riguardo a questo materiale viene segnalato anche il silicio nanostrutturato (detto anche silicio nero), citato come alternativa promettente per ridurre al minimo le perdite ottiche nelle applicazioni fotovoltaiche, e il fotovoltaico a film sottile sia CdTe (la tecnologia thin film più estesa) e CIGS.

Alla perovskite è dedicata una sezione specifica: sebbene non siano ancora state commercializzate soluzioni con perovskiti, tre quarti degli autori del report sono ottimisti che il loro sviluppo, anche in tandem con altri materiali, avverrà in meno di dieci anni.

Altre tecnologie promettenti – anche se ancora relegate al laboratorio – sono: il fotovoltaico organico, su si sono fatti progressi, portando alla dimostrazione di successo di efficienze di conversione di potenza che hanno raggiunto quasi il 20%; e le celle solari sensibilizzate con coloranti (DSSC) dette anche celle di Graetzel, di significativo interesse “grazie alla loro fattibilità economica e al potenziale di elevate efficienze di conversione”.

Il fotovoltaico del futuro

Tra le tecnologie del fotovoltaico trattate gli autori del report hanno dato spazio alle applicazioni e alle potenzialità di commercializzazione. Guardando al futuro, una delle aree più emergenti e fiorenti riguarda la raccolta di luce ambientale.

Questo progresso guarda, in particolare, alle potenzialità offerte dall’Internet of Things e dall’incremento di dispositivi IoT: Statista prevede che nel 2030 ce ne saranno 29 miliardi nel mondo, rispetto ai poco più di 15 miliardi del 2020.

I materiali fotovoltaici più promettenti finora per un’efficiente raccolta della luce interna sono il silicio amorfo, le DSSC, il fotovoltaico organico e le perovskiti agli alogenuri. Rispetto alle celle di Graetzel, gli ultimi due “possiedono maggiori prospettive di commercializzazione grazie alla loro processabilità della soluzione su vasta area”, oltre che flessibilità e leggerezza.

Per lo sviluppo del fotovoltaico indoor e la sua commercializzazione, è necessario superare le sfide esistenti.

Come scrivono gli autori:

“attualmente, il campo non dispone di una fonte di illuminazione standardizzata. Considerando i diversi livelli di illuminazione interna (da 200 a 1500 lux) e le luci artificiali di LED bianchi e lampade fluorescenti, la standardizzazione non è semplice.”

Inoltre, c’è da lavorare su protocolli di test di stabilità che devono ancora essere formulati. Nei prossimi anni, si prevede che la ricerca sul fotovoltaico indoor si concentrerà sulla massimizzazione dell’efficienza di conversione della potenza, “sullo sviluppo di protocolli di stabilità, sull’integrazione con le unità di accumulo dell’energia e sulla loro implementazione in applicazioni IoT reali”.

Nell’illustrare i vari sistemi e tecnologie del fotovoltaico emergente c’è spazio e opportunità per parlare di agrivoltaico. “Attualmente la maggior parte dei sistemi agrivoltaici si basa sull’utilizzo di celle solari al silicio, il che comporta un maggiore impegno di installazione rispetto agli impianti fotovoltaici classici. Tuttavia, esistono già i primi progetti per l’utilizzo di celle al fotovoltaico organico”.

Non manca anche un accenno al fotovoltaico per le applicazioni spaziali. Le tecnologie fotovoltaiche emergenti potrebbero fornire sostanziali riduzioni dei costi per il mercato spaziale emergente, le cui stime di crescita sono notevoli: secondo lo United States Government Accountability Office si passerà dai quasi 5.500 satelliti attivi in orbita del 2022 a 58mila entro il 2030.

Sostenibilità del fotovoltaico

Il report tratta molti aspetti legati alle emergenti tecnologie del fotovoltaico. Uno spazio lo dedica a un tema che sarà sempre più rilevante riguarda il suo impatto ambientale: la sostenibilità.

Per valutare i vantaggi o identificare i potenziali problemi del solare fotovoltaico, è necessario considerare tutte le fasi del settore fotovoltaico, dall’estrazione delle materie prime alla fine del ciclo di vita.

Gli autori del report scrivono a proposito:

“Con il rapido aumento previsto di nuove installazioni fotovoltaiche e lo smantellamento dei moduli più vecchi nel prossimo decennio, gli sforzi di ricerca e sviluppo devono: ridurre al minimo l’impatto ambientale della produzione fotovoltaica; pianificare il riciclaggio del fotovoltaico e la gestione dei rifiuti a livello globale.”

Due le aree su cui concentrarsi: produzione fotovoltaica e fine vita. Nell’ultimo decennio, la catena di fornitura globale del fotovoltaico si è spostata dall’Europa, dal Giappone e dagli Stati Uniti alla Cina, che rappresenta oltre l’80% della produzione mondiale. “La produzione fotovoltaica negli Stati Uniti dovrebbe avere un’impronta di carbonio inferiore rispetto alla Cina, ma la differenza sta diminuendo a causa della decarbonizzazione della rete in entrambi i Paesi”.

A proposito, invece, della gestione del fine vita del fotovoltaico, essa è richiesta in Europa e in alcuni stati degli Stati Uniti. Tuttavia, si rendono necessari ulteriori sforzi a livello globale per garantire che i rifiuti fotovoltaici vengano riciclati e che gli impatti ambientali siano ridotti al minimo se lo smaltimento in discarica è l’unica opzione. Ecco, quindi, che combinare i principi dell’economia circolare al fotovoltaico è un obiettivo primario per la sostenibilità a lungo termine.

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