Moduli fotovoltaici ad alta efficienza: mercato, ricerca e innovazione

Tra i pregi della tecnologia fotovoltaica c’è quello di continuo incremento dell’efficienza, tant’è che oggi si parla comunemente di moduli fotovoltaici ad alta efficienza per definire quanto c’è già sul mercato. In attesa di una piena affermazione sul mercato delle tecnologie a perovskite, il settore fotovoltaico è in continuo il progresso, merito dell’incessante lavoro di ricerca e innovazione, testimoniato anche dalla crescita straordinaria dell’attività brevettuale.

Secondo i dati dell’European Patent Office, le invenzioni in campo fotovoltaico sono aumentate di oltre 17 volte negli ultimi tre decenni.

Nei prossimi anni, quali saranno le soluzioni tecnologiche predominanti sul mercato in termini di elevate efficienze?

Il quadro attuale delle tecnologie ad alta efficienza

Un riferimento per comprendere quali saranno le tendenze di crescita delle tecnologie riguardanti i moduli fotovoltaici ad alta efficienza è il quadro proposto dall’International Technology Roadmap for Photovoltaics dell’associazione VDMA* con le proiezioni al 2035.

La tecnologia PERC dopo aver rappresentato per anni una soluzione di riferimento, è oggi progressivamente sostituita da architetture più efficienti, avendo raggiunto ormai il suo massimo potenziale di efficienza. Secondo le proiezioni, la sua presenza sul mercato tenderà a ridursi fino a esaurirsi entro il 2027. Al contrario, la TOPCon è una realtà commerciale consolidata ed è destinata a diventerà uno degli standard di mercato nei prossimi 5-10 anni.

«Questa transizione è stata agevolata dalla sua scalabilità: rispetto ad altre tecnologie la TOPCon consente di valorizzare parte delle linee produttive già sviluppate per la tecnologia PERC, richiedendo investimenti di riconversione più contenuti rispetto a un completo cambio di linea tecnologica. Questo ha permesso ai produttori di accelerare il passaggio alla nuova tecnologia, mantenendo elevati volumi produttivi e costi competitivi», spiega Giosuè Maugeri, Capo progetto di Ricerca sul Fotovoltaico e referente del laboratorio sperimentale fotovoltaico di RSE – Ricerca sul Sistema Energetico.

In termini di efficienze di celle previste, «il vero salto tecnologico atteso da qui al 2035 riguarderà soprattutto le architetture xBC e, in prospettiva con le celle tandem». Le xBC (Back Contact) rappresentano un avanzamento significativo delle tecnologie al silicio: spostando i contatti elettrici sul retro della cella, eliminano l’ombreggiamento dovuto alla metallizzazione frontale. «Ciò aumenta la cattura della radiazione solare e migliora sensibilmente l’efficienza». Anche l’eterogiunzione (HJT) rientra tra le soluzioni ad alta efficienza, con prestazioni molto competitive; tuttavia, rispetto ad altre tecnologie oggi più consolidate, la sua diffusione su larga scala dipenderà dalla capacità di ridurre i costi produttivi e semplificare ulteriormente i processi industriali.

Tecnologia PERC

La tecnologia PERC (Passivated Emitter and Rear Cell), ormai consolidata, aggiunge uno strato di passivazione dielettrica alla superficie posteriore della cella, riducendo così la ricombinazione dei portatori di carica riflettendo verso l’interno della cella parte della radiazione non assorbita, aumentando così la probabilità di conversione fotovoltaica.

Con lo strato di passivazione, nella cella vengono utilizzate strutture a contatto puntiforme, che riducono le perdite.

I moduli PERC offrono un’efficienza compresa tra il 21% e il 23%. Si prestano a qualsiasi impiego, dal residenziale all’utility scale. Il loro principale vantaggio attuale è l’ottimo rapporto qualità-prezzo. Tuttavia, le più recenti tecnologie di tipo N (come TOPCon ed HJT) stanno progressivamente superando la PERC in termini di efficienza, prestazioni in esercizio e minore suscettibilità ad alcuni meccanismi di degrado.

Back Contact

I moduli fotovoltaici Back Contact si caratterizzano per la realizzazione con celle al silicio in cui tutti o la maggior parte dei contatti elettrici sono posizionati sul lato posteriore anziché su quello anteriore. Questo permette di ridurre l’ombreggiamento frontale e lasciare una maggiore superficie illuminata disponibile per l’assorbimento della luce. Il risultato è una maggiore efficienza e un aspetto scuro e uniforme, poiché non sono presenti barre collettrici o contatti argentati visibili sulla parte anteriore.

I Back Contact si presentano in diverse varianti (IBC, HPBC, TBC, HBC o xBC) che differiscono nei dettagli di progettazione della cella.

Il loro impiego è ubiquo. Risultano particolarmente interessanti nei contesti in cui l’elevata efficienza e l’estetica del modulo rappresentano fattori rilevanti, come i tetti residenziali con spazi limitati o le installazioni ad alto valore architettonico.

Per quanto riguarda l’efficienza, si è raggiunto un record per i moduli del 26,4%.

TOPCon

Con l’acronimo TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact) si definisce una tecnologia avanzata per celle fotovoltaiche il cui punto di forza risiede nella formazione di uno strato ultrasottile di ossido di silicio (circa 1-2 nm di spessore) tipicamente abbinato a uno strato di silicio policristallino drogato sulla superficie del wafer di silicio, consentendo il trasporto selettivo dei portatori di carica e la passivazione superficiale. Questa struttura permette di ridurre in modo sensibile i tassi di ricombinazione superficiale, migliorando la tensione a circuito aperto e l’efficienza di conversione fotovoltaica.

L’approccio a doppio strato migliora la passivazione e ottimizza il flusso di elettroni, permettendo alle celle TOPCon di raggiungere efficienze di conversione energetica per i moduli nell’ordine del 22-23,5%.

Si prestano a un ampio spettro di applicazioni, dalle installazioni residenziali e commerciali fino agli impianti utility scale. Grazie all’elevata efficienza e alla disponibilità di configurazioni bifacciali, risultano particolarmente interessanti anche per progetti a terra.

Tecnologia a eterogiunzione HJT

La Tecnologia a eterogiunzione (HJT – Hetero Junction Technology) definisce una struttura di celle solari che combina strati di silicio cristallino (c-Si) con strati di silicio amorfo (a-Si). Più nello specifico, le celle solari HJT sono composte da un wafer di silicio cristallino (tipicamente di tipo n), uno strato intrinseco di silicio amorfo, strati di silicio amorfo drogato, strati di ossido conduttivo trasparente, contatti metallici su entrambi i lati.

Questa struttura a strati consente alle celle HJT di sfruttare al meglio entrambi i tipi di silicio: cristallino per un’elevata efficienza e amorfo per una migliore passivazione della superficie e minori perdite per ricombinazione.

Le prospettive dei moduli fotovoltaici ad alta efficienza

A proposito di moduli fotovoltaici ad alta efficienza, le celle tandem rappresentano una delle direttrici strategiche per il futuro. L’obiettivo è superare i limiti delle celle al silicio a singola giunzione, accoppiando il silicio con un altro materiale, come la perovskite.

Nelle architetture tandem perovskite-silicio, lo strato superiore in perovskite assorbe una parte dello spettro solare, mentre la radiazione a lunghezza d’onda superiore l’attraversa e viene convertita dal silicio. «Questo sfruttamento complementare dello spettro solare consente di puntare a efficienze molto più elevate», specifica Maugeri. La ricerca attuale è fortemente focalizzata su questa tecnologia, anche per le elevate efficienze potenzialmente raggiungibili. Secondo il Cell Efficiency Chart NLR, le tandem silicio-perovskite hanno ormai raggiunto valori intorno al 35%, mentre alcune tecnologie Tandem basate su materiali III-V su Silicio superano di poco il 36%. Si tratta tuttavia di risultati ottenuti su celle da laboratorio, non ancora direttamente rappresentativi delle efficienze dei moduli commerciali.

La principale sfida, però, resta la durabilità e la stabilità delle prestazioni nel tempo: nelle tecnologie a perovskite, l’efficienza iniziale tende a degradarsi dopo un certo numero di ore di funzionamento, sotto l’effetto di fattori quali umidità, ossigeno, temperatura. È un limite su cui la ricerca sta lavorando intensamente, operando su più fronti e su applicazioni (le perovskiti sono molteplici).

Ricerca e innovazione: dove lavora l’Italia

Nel campo della ricerca per il fotovoltaico, l’Italia è da tempo attiva. A questo riguardo è bene ricordare il Progetto Integrato Fotovoltaico innovativo, efficiente e sostenibile nell’ambito del Piano Triennale di Realizzazione 2025-2027 della Ricerca di Sistema Elettrico Nazionale, che vede la partecipazione di RSE, ENEA e CNR.

«ENEA, CNR e RSE stanno lavorando sull’alta efficienza di celle su fronti differenti», specifica Maugeri. Per quanto riguarda Enea e CNR, stanno operando in particolare sulle perovskiti sono attivi sullo sviluppo delle tecnologie a perovskite, con l’obiettivo di ottimizzare i processi produttivi e migliorare la stabilità di questi materiali, anche in configurazione tandem con il silicio. RSE sta approfondendo anche il tema delle celle ad altissima efficienza, come le celle multigiunzione basate su materiali III-V, cioè semiconduttori composti da elementi dei gruppi III e V della tavola periodica.

Questi materiali sono molto costosi e rari, quindi adatti ad applicazioni ad alto valore aggiunto, come il settore spaziale, oppure a contesti terrestri specifici in cui la superficie disponibile è limitata e risulta prioritario massimizzare l’efficienza di conversione. La ricerca (inclusa quella di RSE) «esplora anche l’accoppiamento in tandem di materiali III-V su silicio e di nitruri su Silicio con l’obiettivo di superare il limite di efficienza del silicio a singola giunzione e, al tempo stesso, contenere i costi rispetto alle celle multigiunzione interamente basate su materiali III-V», precisa il ricercatore.

Un altro ambito su cui si lavora riguarda il miglioramento delle caratteristiche dei moduli fotovoltaici, il cui aumento di dimensioni è vantaggioso soprattutto nei contesti di grandi installazioni a terra o tetti industriali. Il problema è rappresentato nell’insorgere di nuovi elementi finora meno considerati, come le micro-fratture del vetro posteriore nei moduli vetro-vetro. Pur non causando immediati malfunzionamenti, queste crepe possono compromettere nel tempo la sicurezza meccanica ed elettrica del modulo e favorire processi di degrado a lungo termine. «Le soluzioni allo studio includono l’ispessimento dello spessore del vetro posteriore oppure, in alternativa, il ricorso a configurazioni con backsheet polimerico», conclude Maugeri.

*L’associazione tedesca VDMA, con i suoi 3500 membri, è la più grande organizzazione di rete e una voce importante per l’industria della produzione di macchinari e attrezzature in Europa e in Germania.

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