Ricerca italiana sul fotovoltaico: per il solare del futuro serve fare sistema

La ricerca italiana sul fotovoltaico esprime ottime idee e soluzioni, ma ha bisogno di fare rete, perché solo facendo sistema si può competere in un settore che corre.

«I progressi nel fotovoltaico non si misurano di anno in anno, ma di mese in mese». A dirlo è Paola Delli Veneri, responsabile della divisione Solare Fotovoltaica del Dipartimento Tecnologie Energetiche e Fonti Rinnovabili di ENEA, che sta seguendo diversi ambiti di ricerca. Tra questi, risalta il progetto di ricerca GoPV, coordinato da ENEA, focalizzato sullo studio di materiali innovativi che possano concorrere allo sviluppo di celle tandem e per una tecnologia fotovoltaica ad alta efficienza, affidabile e sostenibile.

Abbiamo incontrato la scienziata italiana al termine della seconda conferenza della Rete Italiana Fotovoltaico, nei giorni in cui LONGi Solar alla SNEC EXPO 2024 di Shanghai ha annunciato di aver raggiunto un nuovo record di efficienza, il 34.6%, misurato su una cella tandem perovskite/silicio, «un progresso inimmaginabile solo qualche anno fa».

Le potenzialità aperte dalle perovskiti

Sulle possibilità offerte dalle perovskiti c’è un grande fermento, anche nella ricerca italiana sul fotovoltaico, conferma la stessa scienziata.

«In Italia sull’argomento si registra un forte dinamismo e si annoverano diverse competenze sullo sviluppo dei materiali. C’è un grande coinvolgimento anche degli specialisti della chimica, perché molte attività sono legate a processi di sintesi dei materiali. Come ENEA, siamo concentrati da anni sullo sviluppo del fotovoltaico a base di silicio e di altri materiali inorganici. Dopo il 2010 abbiamo aperto il campo anche alle perovskiti, riscontrato il grande interesse sul tema e sulla possibilità di accoppiarle al silicio».

Si è giunti così al Progetto Integrato “Fotovoltaico ad alta efficienza”, avviato insieme a CNR e RSE, del piano triennale 22-24 della Ricerca di sistema elettrico nazionale, che ha favorito la creazione di una rete di collaborazione con diversi esperti di svariate università italiane.

Ricerca italiana sul fotovoltaico: il progetto GoPV

A partire da questa sinergia, si sono avviati alcuni progetti di ricerca come GoPV, dedicato allo studio di materiali di nuova generazione per celle fotovoltaiche tandem (silicio-perovskite, ma anche perovskite-perovskite).

Il progetto intende affrontare possibili problematiche e sfide dello sviluppo delle celle tandem, che utilizzino la perovskite. Questo termine definisce una famiglia di materiali che viene sintetizzata in laboratorio.

«Ci sono alcune formulazioni interessanti per la realizzazione di dispositivi fotovoltaici a base di sola perovskite e alcune che appaiono più interessanti per essere accoppiate al silicio. Molte di esse consentono di ottenere oggi le migliori prestazioni contengono piombo: sono del tipo ibrido, caratterizzate cioè da una parte organica e una inorganica. Tra le finalità che si pone GoPV, c’è la volontà di trovare delle formulazioni di perovskite più stabile o nelle quali il piombo sia sostituito con lo stagno».

Anche se la quantità di piombo presente nello strato sottile di perovskite utilizzata nelle celle solari è inferiore allo 0,1%, inferiore ai limiti di sicurezza presenti da molti Paesi, il suo impatto sull’ambiente non è comunque trascurabile, visto anche il deciso sviluppo del fotovoltaico.  Lo stagno non è un metallo tossico e crea, quindi, possibilità interessanti, già oggetto di diversi studi.

«Un’altra questione che si intende approfondire è legata alla possibilità di modificare l’architettura della cella in silicio da accoppiare alla cella in perovskite.  In questo caso, a partire dalla classica cella a eterogiunzione di Si, tecnologia utilizzata da 3SUN per la nuova fabbrica a Catania, si stanno sviluppando, per gli strati necessari al trasferimento delle cariche nel dispositivo, dei materiali innovativi più trasparenti che consentano di massimizzare la quantità di luce che può raggiungere il cuore della cella solare, lì dove la luce assorbita può contribuire alla generazione di potenza elettrica», spiega Delli Veneri.

Sempre in tema di sostenibilità, si guarda alla possibilità di sostituire l’indio. È un elemento molto utile, e quindi molto richiesto, nel fotovoltaico perché utilizzato per ottenere ossido di stagno e indio, un ossido trasparente e conduttore fondamentale ai fini del buon funzionamento di una cella solare.

«Si intendono cercare nuove soluzioni alternative all’ITO, possibilmente evitando l’indio che potrebbe non essere così tanto disponibile, ma soprattutto valutando materiali migliori in termini di trasparenza e conducibilità, due richieste non facilmente conciliabili, anche studiando processi differenti dallo sputtering, tecnica tipicamente utilizzata per ottenere questi materiali. Essa presenta, infatti, effetti collaterali nella fabbricazione dei dispositivi in quanto alcuni strati, in particolare se organici, possono essere danneggiati durante il processo di deposizione dell’ITO», evidenzia Delli Veneri.

Fare rete a livello internazionale sulle perovskiti: il progetto ViperLab

Un altro progetto degno di nota, per le sue potenzialità di creare sinergie nella ricerca sul fotovoltaico avanzato, è ViperLab. Avviato nel 2021 e con termine a novembre di quest’anno, riunisce una rete di scienziati e organizzazioni di ricerca con sede in Europa nella ricerca sulla perovskite.

Intende essere un “Laboratorio fotovoltaico virtuale e fisico completamente connesso alla perovskite”, come specificato dall’acronimo. Il progetto, coordinato dal Helmholtz-Zentrum di Berlino, conta su 15 partner (tra cui ENEA) di 9 Paesi.

«ViperLab nasce con l’idea di fare squadra, di creare terreno fertile attraverso cui riuscire a rendere più efficace la trasmissione delle informazioni che, spesso, restano limitate all’ambito dei singoli laboratori, promuovendo le condizioni per arrivare allo sviluppo tecnologico – spiega la scienziata italiana –. Rappresenta un’ottima occasione per mettere a sistema tutte le competenze europee e promuovere la conoscenza per favorire, per accelerare lo sviluppo tecnologico sulle perovskiti, anche in tandem col silicio».

Per il progetto sono state selezionate 13 infrastrutture differenti, tra cui due in Italia, di proprietà Tor Vergata ed ENEA. Quest’ultima metterà a disposizione il proprio laboratorio sperimentale “Tandem”, a Portici (Napoli), dedicato alla realizzazione e alla caratterizzazione di dispositivi tandem perovskite/silicio e il sistema di supercalcolo Cresco Computing, in grado di effettuare fino a 1,4 milioni di miliardi di operazioni matematiche al secondo.

Altri fronti della ricerca italiana sul fotovoltaico: l’impiego in agricoltura e la manutenzione degli impianti

La ricerca italiana sul fotovoltaico sta mettendo a punto nuove soluzioni in grado di conciliare fotovoltaico e agricoltura. «Stiamo studiando, in alcuni progetti e a diversa scala, il cosiddetto agrivoltaico. Uno dei temi su cui c’è da lavorare riguarda la necessità di fornire definizioni e soluzioni che servano da riferimento agli impiantisti con i prodotti già presenti per realizzare un agrivoltaico autentico – sottolinea l’esperta di solare fotovoltaico di ENEA –. L’idea è supportare il decisore e i potenziali investitori, definendo paradigmi il più possibile corretti e che possano favorire un effettivo sviluppo e accettazione del fotovoltaico in agricoltura».

Un altro esempio applicativo, allo studio, riguarda l’impiego del fotovoltaico nelle coperture di serre realizzate con moduli adatti all’integrazione in contesti di pregio come è avvenuto, per esempio, per una serra storica all’interno dell’orto botanico di Portici (Napoli). Inoltre, tra le attività di ricerca di sviluppo tecnologico del futuro, che lega fotovoltaico e coltivazione agricola, condotte da ENEA, si lavora allo studio di nuove tecnologie FV a film sottile semitrasparenti in grado di trasmettere porzioni dello spettro solare nel blu e nel rosso, utili alle piante per il processo di fotosintesi, mentre il resto della radiazione può essere utilizzato dalla cella solare.

Infine, c’è un tema su cui la ricerca è orientata: il monitoraggio degli impianti, per garantire il loro funzionamento efficiente. «Uno dei temi su cui si deve agire riguarda la possibilità di sviluppare degli strumenti a basso costo che consentano di controllare anche da remoto gli impianti, in modo da monitorare la loro efficienza e la loro attività. Con l’aumento degli impianti un tema sempre più importante riguarderà la possibilità di verificare che la potenza installata si “trasformi” in energia elettrica effettivamente prodotta», conclude Delli Veneri.

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