Come sono fatti i pannelli fotovoltaici più usati sul mercato attuale? Quali saranno le tecnologie che potrebbero decollare nei prossimi anni? In questo articolo scopriamo le tecnologie fotovoltaiche convenzionali e avanzate facendo un quadro chiaro della situazione dei fatti.
Il Silicio, l’architettura solare convenzionale
I pannelli in silicio cristallino (c-Si) appartengono ai pannelli solari fotovoltaici di prima generazione e detengono una quota del 95% della produzione fotovoltaica mondiale. Le economie di scala del suo materiale principale, il silicio, rendono c-Si più conveniente e altamente efficiente rispetto ad altri materiali. I pannelli solari sono migliorati sostanzialmente in termini di efficienza e potenza negli ultimi decenni. L’efficienza media del modulo nel 2006 è stata del 13,2% per il fotovoltaico policristallino
e il 14,7% per i pannelli fotovoltaici monocristallini e da allora è aumentato costantemente, raggiungendo rispettivamente il 17% e il 18%. Questa tendenza positiva dovrebbe continuare fino al 2030.
La forte posizione competitiva del c-Si nel mercato grazie al suo costo in continua diminuzione, ha reso difficile competere alle altre tecnologie.
Tuttavia, nonostante l’elevato livello di efficienza di questa tecnologia FV di prima generazione, rimane molto spazio per il miglioramento, tra cui:
- abbassare il costo dei moduli c-Si per migliori margini di profitto;
- ridurre le impurità metalliche;
- mitigare gli effetti ambientali riducendo gli sprechi;
- produrre wafer più sottili grazie a proprietà del materiale migliorate.
Le celle PERC e l’architettura solare avanzata di silicio
Una cella PERC utilizza un’architettura avanzata delle celle al silicio. Le celle PERC non sono molto diverse nella costruzione da una tipica cella fotovoltaica monocristallina; tuttavia, il miglioramento chiave è l’integrazione di uno strato di materiale sul retro delle celle che è in grado di migliorare l’efficienza della cella. Infatti, questo strato aumenta l’efficienza complessiva della cella in tre modi chiave:
- riduce la ricombinazione elettronica;
- aumenta l’assorbimento della luce;
- consente una maggiore riflettività interna.
Il guadagno di efficienza dell’implementazione dell’architettura PERC per le celle monocristalline è di circa lo 0,8% -1% assoluto, mentre l’incremento per le celle policristalline è leggermente inferiore, dallo 0,4% allo 0,8%.
Il PERC ha iniziato a entrare nell’arena commerciale solo di recente, ma è rapidamente diventato il nuovo standard industriale per le celle monocristalline. Diversi fattori hanno facilitato questo notevole progresso, incluso il grande spostamento del mercato verso le celle monocristalline, il miglioramento dell’affidabilità e della produttività degli strumenti di produzione, che ha conseguentemente migliorato la qualità di passivazione dei film, e il vero slancio nella ricerca e sviluppo creato dal gran numero di produttori ora attivi nella produzione di PERC.
Celle tandem/ibride
Le celle solari tandem sono pile di singole celle, una sopra l’altra, che convertono selettivamente una specifica banda di luce in energia elettrica, lasciando che la luce rimanente venga assorbita e convertita in elettricità nella cella sottostante. Le tecnologie fotovoltaiche emergenti comprendono diversi tipi di celle tandem che possono essere raggruppate principalmente in base ai materiali utilizzati (ad es. organico, inorganico, ibrido) e al tipo di connessione utilizzata. L’approccio delle celle tandem è stato utilizzato per fabbricare le celle solari più efficienti al mondo in grado di convertire il 46% della luce solare in elettricità. Sfortunatamente, questi dispositivi utilizzano materiali e processi di fabbricazione molto costosi e ancora non riescono a sfondare il mercato.
Film sottili
Le tecnologie a film sottile sono spesso indicate come fotovoltaico solare di seconda generazione. I materiali semiconduttori utilizzati per produrre celle a film sottile hanno uno spessore di pochi micrometri. Queste tecnologie generalmente comprendono due famiglie principali:
- a base di silicio film sottile (silicio amorfo [a-Si] e micromorfo [a-Si / c-Si];
- non a base di silicio (perovskiti, tellururo di cadmio [CdTe] e diseleniuro di rame-indio-gallio [CIGS]).
Queste tecnologie possono essere più economiche per produrre, in quanto tali vengono distribuiti su scala commerciale, ma storicamente hanno avuto livelli di efficienza inferiori.
La tecnologia a film sottile per la generazione di energia su larga scala ha acquisito importanza intorno al 2006, quando il costo del silicio è aumentato a causa dell’aumento della domanda. I moduli a film sottile, quindi, avevano un senso più economico nonostante la loro bassa efficienza.
Tuttavia, entro il 2012 il calo dei prezzi del silicio, combinato con il calo dei prezzi dei moduli c-Si ad alta efficienza, ha spostato la produzione verso la tecnologia c-Si. Mentre il fotovoltaico di prima generazione a base di silicio cristallino ha quindi consolidato il suo status commerciale in seguito ai miglioramenti delle prestazioni e alla riduzione dei costi negli ultimi anni, la quota di mercato complessiva delle tecnologie a film sottile è in costante diminuzione dal 2012. Attualmente, la tecnologia a film sottile rappresenta solo 5% del mercato solare fotovoltaico globale, mentre i moduli solari a base di silicio continuano a detenere circa il 95% del mercato globale dei moduli FV.
Tecnologie a film sottile non a base di silicio
La Perovskite
Attualmente la maggior parte delle celle solari sono realizzate in silicio; tuttavia, un’area da tenere d’occhio è lo sviluppo di nuovi materiali per celle solari. In particolare, uno dei materiali più promettenti è la perovskite, un tipo di minerale molto bravo ad assorbire la luce. I primi dispositivi fotovoltaici in perovskite nel 2009 hanno convertito solo il 3,8% dell’energia contenuta nella luce solare in elettricità. Tuttavia, poiché i cristalli sono molto facili da realizzare in laboratorio, le loro prestazioni sono state rapidamente migliorate e nel 2018 la loro efficienza era salita al 24,2%, stabilita dai ricercatori negli Stati Uniti e nella Repubblica di Corea, vicino al record di laboratorio del silicio del 26,7%.
Tuttavia, i record di efficienza della perovskite sono stati stabiliti solo su piccoli campioni. I perovskiti devono ancora affrontare alcune sfide significative prima di raggiungere la maturità del mercato. Uno dei principali è la durata. Poiché i cristalli si dissolvono facilmente, non sono in grado di sopportare condizioni di umidità e devono essere protetti dall’umidità attraverso l’incapsulamento, ad esempio attraverso uno strato di ossido di alluminio o lastre di vetro sigillate.
Un’altra sfida per gli scienziati è che, pur essendo stati in grado di raggiungere livelli di alta efficienza con piccole perovskiti, non sono stati in grado di replicare tale effetto con aree più grandi. Se queste barriere possono essere superate, le celle di perovskite hanno il potenziale per cambiare la dinamica e l’economia dell’energia solare perché sono più economiche da produrre rispetto alle celle solari e possono essere prodotte a temperature relativamente basse, a differenza del silicio.
Celle di seleniuro di gallio indio rame (CIGS)
Le celle CIGS hanno raggiunto livelli di efficienza elevati (22,9%) paragonabili al silicio cristallino commerciale. Tuttavia, la produzione di celle CIGS può essere difficile a causa della rarità dell’indio, nonché della complessa stechiometria e delle fasi multiple per produrli, limitando la produzione su larga scala a breve termine.
Tellururo di cadmio (CdTe)
Le celle al tellururo di cadmio hanno raggiunto un’efficienza del 21%, molto simile al CIGS, e sono caratterizzate da un buon assorbimento e basse perdite di energia. Le celle solari CdTe sono realizzate a bassa temperatura, il che rende la loro produzione molto flessibile e conveniente. CdTe detiene attualmente la quota di mercato maggiore di tutte le tecnologie a film sottile.
Tecnologie modulari avanzate
Celle solari bifacciali
Le celle solari bifacciali sono in fase di sviluppo da decenni e il loro processo di produzione può essere considerato uno dei più avanzati oggi per i moduli solari. Le celle bifacciali sono in grado di generare elettricità non solo dalla luce solare ricevuta sulla loro parte anteriore, ma anche dalla luce solare riflessa ricevuta sul lato opposto della cella. Al momento in cui scriviamo, la Cina mantiene il suo status di maggiore produttore e mercato finale di moduli bifacciali. Anche la domanda mondiale è aumentata, con paesi come Stati Uniti, Brasile e Regno Unito che aumentano il loro utilizzo di moduli bifacciali per impianti fotovoltaici su scala industriale. Sulla base dell’attuale tendenza del mercato, i bifacciali stanno estendendo la loro portata geografica dall’Europa e dal Giappone ai mercati emergenti e in tutto il mondo.
Il funzionamento bifacciale, facilitato dall’adozione di PERC (che sta guidando il boom bifacciale), offre un aumento dell’efficienza effettiva a breve termine del 5–20% relativo. Ciò aumenta la produzione di energia da una data area del modulo.
Un tipo di modulo bifacciale è il modulo vetro-vetro. Si tratta di pannelli solari con celle solari disposte tra due lastre di vetro. Sono tipicamente applicati a sistemi su larga scala e forniscono una soluzione per ambienti difficili (ad es. Alte temperature, alta umidità) perché sono meno sensibili alla penetrazione dell’umidità. La tecnologia è già in fase di sviluppo da decenni, ma i loro costi elevati e il loro peso elevato sono stati un ostacolo al loro sviluppo.
Secondo l’International Technology Roadmap for Photovoltaic (ITRPV), nel 2018 la quota di moduli vetro-vetro era solo del 5%. Tuttavia, nonostante la crescita limitata prevista a breve termine, l’ITRPV prevede la ripresa della tecnologia entro i prossimi 10 anni per raggiungere una quota del 40%.
In un modulo fotovoltaico, le celle solari sono collegate elettricamente a stringhe. Questa interconnessione, tuttavia, può causare perdite ottiche nel modulo, che influiscono sull’affidabilità del prodotto. Per superare questa limitazione, varie apparecchiature industriali di tesatura e saldatura
sono in fase di sviluppo tecnologie, come semicelle, tegole solari e multi-busbar.
Tegole solari
Le tegole solari sono un tipo di soluzione di energia solare in cui i pannelli solari sono progettati per assomigliare ai materiali di copertura convenzionali, producendo anche elettricità.
Le tegole solari hanno diversi vantaggi. Un vantaggio chiave è che eliminano la necessità di nastro, collegando le celle come le tegole. In secondo luogo, l’estetica del modulo è migliorata, poiché i pannelli sono colorati in modo omogeneo.
In terzo luogo, a differenza di una cella standard, le celle per i moduli a tegole hanno sbarre alle estremità opposte e le celle sono tagliate in più strisce, il che riduce la corrente e di conseguenza il carico.
Fotovoltaico flotante
La domanda di fotovoltaico galleggiante è in espansione, soprattutto sulle isole (e altri paesi con vincoli di terra). Questo perché il costo della superficie dell’acqua è generalmente inferiore al costo del terreno. Anche i bacini idroelettrici e altri corpi idrici artificiali hanno un enorme potenziale.
Ad esempio, il produttore di energia indipendente con sede in Norvegia Statkraft ha annunciato la costruzione di un impianto fotovoltaico galleggiante da 2 MW in Albania. L’azienda utilizza una tecnologia innovativa costituita da un dispositivo di galleggiamento a membrana, di 72 metri di diametro, che può ospitare 500 kilowatt (kW) di fotovoltaico. I moduli vetro-vetro sono montati su speciali binari, in modo che i moduli siano in contatto permanente con una membrana termica (progettata per resistere allo stress e all’esposizione al sole) che si trova sulla superficie dell’acqua. L’acqua raffredda la membrana, che a sua volta raffredda i moduli e consente loro di produrre più energia. Inoltre, coprendo la superficie del serbatoio d’acqua, le piante solari galleggianti possono anche ridurre l’evaporazione e proteggere la qualità dell’acqua dall’eccessiva crescita di alghe.
Impianti fotovoltaici-termici (ibridi)
I sistemi Solar FV-T combinano la produzione di entrambi i tipi di energia solare in un unico collettore. Consiste in un pannello solare fotovoltaico combinato con un sistema di raffreddamento in cui l’agente di raffreddamento (acqua o aria) viene fatto circolare intorno ai pannelli fotovoltaici per raffreddare le celle solari. In questo modo l’acqua calda o l’aria in uscita dai pannelli può essere utilizzata per applicazioni domestiche come il riscaldamento domestico.
Questo sistema di raffreddamento per pannelli fotovoltaici ha un duplice vantaggio: aumenta notevolmente l’efficienza dei sistemi fotovoltaici nel settore elettrico e consente anche di catturare il calore dal sistema fotovoltaico per altri usi. In effetti, i moduli fotovoltaici normalmente utilizzano il 15-20% dell’energia solare in entrata, mentre il resto viene perso sotto forma di calore. La tecnologia FV-T mira ad aumentare l’efficienza complessiva utilizzando questa energia “persa” per riscaldare aria o acqua. Allo stesso tempo raffredda le celle fotovoltaiche sottraendo calore al pannello.
Agrofotovoltaico
L’agrofotovoltaico (AFV) combina il solare fotovoltaico e l’agricoltura sulla stessa terra e consiste nella coltivazione di colture sotto i pannelli solari montati a terra.
L’AFV è una situazione vantaggiosa sia che per le colture che per i pannelli solari. Molti tipi di colture alimentari, come i pomodori, crescono meglio all’ombra dei pannelli solari. Questo poiché sono risparmiati dall’ esposizione diretta al sole e subiscono una minore perdita di acqua per traspirazione. Ciò riduce anche il consumo di acqua mantenendo lo stesso livello di produzione alimentare. Un vantaggio chiave per i pannelli solari è che la loro efficienza è aumentata. Coltivare le colture sottostanti riduce la temperatura dei pannelli, in quanto vengono raffreddati dal fatto che le colture sottostanti emettono acqua attraverso il loro naturale processo di traspirazione.
Fonte (IRENA-Future of Solar PV 2019)
