Lo sviluppo della cella fotovoltaica: tra ieri, oggi e domani

Tutto ebbe inizio nel 1839 con la scoperta dell’effetto fotoelettrico. Tuttavia, dovettero trascorrere altri 100 anni prima che venisse presentata la primissima versione di cella fotovoltaica nel 1954. Ci volle dunque un po’ di tempo prima che i moduli fotovoltaici diventassero un prodotto industriale di massa.

Ciononostante, il fascino del sole e del suo potenziale energetico continua ad essere oggetto di grande interesse e di studio da parte degli esperti. In questo blog scoprirai quale sarà l’evoluzione delle celle fotovoltaiche nel prossimo futuro.

Le origini della cella fotovoltaica

Il primo campo di applicazione delle celle fotovoltaiche è stato di natura extra-terrena. Venivano infatti utilizzate per garantire la fornitura di energia ai satelliti. Tuttavia, non è stata solo la curiosità umana a far accelerare la ricerca e lo sviluppo in questo campo, ma anche eventi come l’incidente del reattore di Chernobyl. La società cominciò lentamente a rendersi conto che in futuro si sarebbero rese necessarie nuove fonti di approvvigionamento energetico.

All’inizio degli anni ’90 sono stati lanciati i primi programmi per promuovere l’espansione degli impianti fotovoltaici. I volumi di produzione iniziarono ad aumentare e i prezzi dei moduli fotovoltaici si abbassarono rapidamente. Oggigiorno, il prezzo per Wp è infatti significativamente più basso rispetto a 40 anni fa.

Cella fotovoltaico sviluppo - grafico che rapporta prezzi e produzione

Andamento storico dei prezzi dei moduli fotovoltaici (PSE AG / Fraunhofer ISE, fonte dati: Strategies Unlimited / Navigant Consulting / EuPD). La linea retta mostra l’andamento dei prezzi.

E le celle fotovoltaiche?

Per molto tempo la cella fotovoltaica di tipo Al-BSF (aluminium back surface field) fu considerata la “cella fotovoltaica standard”. Dopo poco però queste celle sono state completamente soppiantate dall’avvento sul mercato delle celle con tecnologia PERC. Oggi, invece, stiamo assistendo ad un fenomeno analogo: le celle PERC stanno cedendo il posto a quelle di tipo TOPCon.
Nel frattempo, sul mercato stanno entrando in scena molte altre nuove tecnologie di celle fotovoltaiche. Ma procediamo con una cosa per volta.

Nella pratica, le “celle fotovoltaiche standard” di tipo Al-BSF di cui abbiamo parlato poc’anzi non vengono più utilizzate da molti anni. Negli ultimi decenni abbiamo invece assistito all’affermarsi della tecnologia PERC (Passivated Emitter and Rear Cell). Questa tecnologia, con l’integrazione di uno strato di passivazione nella superficie posteriore, aumenta l’efficienza della cella in modo significativo rispetto alle celle standard.

La luce solare non assorbita viene infatti riflessa dallo strato di passivazione della superficie posteriore all’interno della cella, in modo da poter essere ancora convertita in energia elettrica. Lo strato di passivazione della superficie posteriore riflette la luce che passa attraverso la cella di silicio senza essere riassorbita nel silicio stesso, dando alla cella fotovoltaica un secondo tentativo di assorbimento. Da ciò ne deriva un’efficienza maggiore rispetto alle celle fotovoltaiche standard.

Celle fotovoltaiche e moduli visti dall'alto

I moduli con celle TOPCon sono presenti sul mercato da diversi anni e stanno assumendo un ruolo sempre più importante. Questa tecnologia è stata sviluppata dall’Istituto Fraunhofer per i sistemi di energia solare (ISE) di Friburgo. Il termine TOPCon è l’acronimo di “Tunnel-Oxide-Passivated-Contact”. Si tratta di uno strato aggiuntivo che gli elettroni possono attraversare, ma gli atomi di silicio no.

Rispetto alle celle con tecnologia PERC, le celle TOPCon possono quindi raggiungere livelli di efficienza più elevati. Questa tipologia di celle è meno sensibile alle alte temperature e offre migliori valori di rendimento in condizioni di scarsa luminosità. Inoltre, il suo livello di deterioramento è minore. Sebbene la tecnologia sia ancora recente, ha già raggiunto un livello di produzione di massa che la rende competitiva anche in termini economici.

Ma c’è molto altro

Oltre a questi due “big player”, esistono altre tecnologie di celle sul mercato.

La prima è la tecnologia a etero-giunzione, che il produttore Meyer Burger ha saputo portare avanti a livello di produzione di massa. La parola greca “hetero” sta per “diverso” e già lascia intendere il concetto che sta alla base di questa tecnologia. Le celle a etero-giunzione, infatti, combinano diversi tipi di celle in una: una cella di silicio cristallino tra due strati di silicio amorfo “a film sottile”. Il risultato è una cella che offre l’elevata efficienza dei wafer di silicio cristallino, ma anche la stabilità delle celle a film sottile a fronte delle oscillazioni di temperatura.

Dato che le celle sono quasi identiche sul fronte e sul retro, hanno anche un fattore di bifaccialità molto elevato. Le celle generano quindi energia elettrica anche sul lato posteriore del modulo e raggiungono efficienze più elevate rispetto ai modelli TOPCon o PERC.
Le celle a etero-giunzione sono anche particolarmente sostenibili, in quanto richiedono meno materiale e un minor dispendio di energia. Oltre a ciò, il produttore tedesco Meyer Burger si è spinto oltre nella realizzazione di questo tipo di celle fotovoltaiche, rinunciando completamente all’utilizzo del piombo, acquistando la maggior parte dei materiali in Europa e utilizzando solo elettricità green nella produzione.

Gli sfidanti della tecnologia TOPCon

Anche le cosiddette celle IBC (interdigitated back contact) stanno diventando sempre più popolari. Questa tecnologia è spesso erroneamente indicata come tecnologia Maxeon, anche se Maxeon è in realtà un produttore che ha collaborato allo sviluppo di questa tecnologia. Oggi, tuttavia, sono presenti sul mercato anche molti altri produttori che utilizzano la tecnologia IBC nelle loro celle in maniera più avanzata. Ne sono esempi AIKO con la sua tecnologia ABC (All Back Contact Technology) o LONGi con i suoi moduli HPBC (Hybrid Passivated Back-Contact Cell).

Ciò che rende questa tecnologia così interessante per molti produttori è la possibilità di ottenere gradi di efficienza significativamente più elevati. Con le celle IBC, tutti i contatti sono situati sul retro della cella, consentendo all’intera parte anteriore della cella di assorbire la luce senza alcuna ombreggiatura prodotta dai contatti della superficie anteriore. Un’esternalità positiva di questa particolare tecnologia è il lato estetico dei moduli, il cui colore omogeneo, blu o nero che sia, risulta molto elegante e accattivante.

Oltre all’elevata efficienza, le celle IBC si distinguono anche per offrire un livello di degradazione ridotto e coefficienti di temperatura molto bassi. Alcuni esperti prevedono addirittura che nei prossimi anni la tecnologia IBC competerà con la TOPCon per la leadership sul mercato. Tuttavia, il complesso e ancora costoso processo di produzione di questa tipologia di moduli deve ancora essere ottimizzato.

Dove arriveremo in futuro: il problema dei costi, le priorità della ricerca e le nuove tecnologie

Considerando gli sviluppi sopra citati e il loro impatto sul futuro delle celle fotovoltaiche, si possono formulare tre ipotesi.

  1. I prezzi diminuiranno;
  2. L’efficienza continuerà ad aumentare;
  3. Ci saranno nuove e promettenti tecnologie.

Cella fotovoltaica - sistemi di pannelli sopraelevati

Diminuzione dei costi

I progressi nella produzione e nella tecnologia favoriscono l’abbassamento dei prezzi. Vista la forte domanda, si continuerà ad accrescere la capacità produttiva, che a sua volta porterà a una riduzione dei costi di produzione. Negli ultimi anni il mercato fotovoltaico globale si è sviluppato a ritmo sostenuto, soprattutto in Cina. E oggi sempre più aziende si lanciano in questo mercato redditizio, alimentando la concorrenza e favorendo inevitabilmente una migliore qualità dei prodotti e una riduzione dei prezzi.

Per quanto riguarda il fattore prezzo, anche la questione delle materie prime gioca un ruolo decisivo. Sino ad ora è stato possibile ridurre le quantità di materie prime utilizzate nella produzione e di conseguenza anche i costi dei materiali. Questa tendenza è destinata a perdurare. Per la produzione di alcuni tipi di celle, come le HJT o ABC, ad esempio, è necessario utilizzare molto meno argento rispetto a quanto avveniva con le vecchie tecnologie.

Tuttavia, è anche vero che le tecnologie di produzione si sono sviluppate così rapidamente negli ultimi anni, che il potenziale di innovazione è ormai praticamente esaurito. In ogni caso gli aspetti appena citati fanno presagire un calo dei prezzi dei moduli fotovoltaici in futuro.

Efficienza celle fotovoltaiche in aumento

L’istituto ISE di Friburgo è uno dei più importanti istituti di ricerca nel campo fotovoltaico. Presso il centro di ricerca dell’ISE dedicato allo studio delle celle fotovoltaiche ad alta efficienza, sono stati recentemente registrati record di efficienza per le celle fotovoltaiche al silicio con contatti su entrambi i lati (26 %) e per le celle fotovoltaiche a quadrupla giunzione (47,6%).

Tuttavia, questo incremento del livello di efficienza non è stato registrato solo dall’ISE, dato che anche altri istituti di tutto il mondo stanno conducendo un’intensa attività di ricerca in questo campo. Con l’obiettivo di convertire la maggior quantità possibile di luce solare in energia elettrica, la ricerca accresce costantemente l’efficienza dei moduli. Proprio di recente, il modulo ABC di tipo N di AIKO ha battuto un nuovo record sul mercato, superando il 24 % di efficienza.

Oggetto di ricerca attuale e di grande importanza in termini di efficienza è anche un migliore utilizzo dello spettro luminoso. La Tandon School of Engineering della New York University, ad esempio, sta sviluppando una speciale pellicola in grado di convertire la luce ultravioletta e blu in luce nel vicino infrarosso, la sorgente più efficiente per le celle fotovoltaiche.

Attualmente la luce ultravioletta e quella blu non possono ancora essere utilizzate perché le celle fotovoltaiche la riflettono. La conversione in luce infrarossa aumenterebbe l’efficienza delle celle in quanto potrebbe essere utilizzata una quantità maggiore di luce. In questo modo si potrebbe anche prolungare la durata del ciclo di vita delle celle, dato che la luce UV accelera il processo di degradazione dei moduli.

Cosa ci riserva il futuro

Una nuova tecnologia che Meyer Burger sta già studiando nel dettaglio è la cella fotovoltaica di perovskite. La perovskite è un minerale ferroelettrico composto da materiali organici e inorganici che reagisce come un semiconduttore. In determinate condizioni create in laboratorio, le celle fotovoltaiche in perovskite raggiungono gradi di efficienza paragonabili, e in alcuni casi addirittura superiori, a quelli delle celle in silicio cristallino. Tuttavia, la tecnologia è attualmente ancora molto instabile rispetto ad alcuni agenti atmosferici come l’aria e l’umidità.

Queste celle fotovoltaiche non sono ancora pronte per essere immesse sul mercato. Ciononostante, la tecnologia è molto promettente perché il materiale di base di cui si compongono è significativamente più economico rispetto al silicio e perché vene impiegato meno materiale durante la produzione, il che riduce a sua volta i costi di produzione stessi.

Ma non è tutto: anche l’energia richiesta per la produzione di celle in perovskite è inferiore, con un effetto positivo in termini di costi. I ricercatori dell’Università di Scienze Applicate di Berlino (HTW) prevedono che le celle in perovskite saranno pronte per essere lanciate sul mercato tra 5-10 anni.

Un’altra tecnologia molto interessante è il fotovoltaico organico. Questa tecnologia offre il grande vantaggio di generare energia elettrica in modo ancora più ecologico perché non solo consente di risparmiare risorse, ma non prevede nemmeno l’impiego di elementi come il piombo. Anche il processo di produzione è molto più semplice e riduce notevolmente l’impronta di CO2 dei moduli.

Le celle sono inoltre estremamente flessibili e pieghevoli, il che le rende la soluzione ideale per un’ampia scelta di applicazioni. Grazie alle loro proprietà flessibili, le celle possono essere adattate a diversi spettri di luce e persino alla luce artificiale.

Soluzione combo di successo?

A causa della ridotta stabilità delle celle fotovoltaiche in perovskite, la ricerca si sta concentrando anche sulle cosiddette celle solari tandem. Tale tecnologia fonda la propria forza sulla combinazione di diverse tecnologie di celle. Nel migliore dei casi, questo permette di minimizzare i lati negativi delle singole tecnologie, ma al contempo di sfruttare i punti di forza di ognuna. Le celle a etero-giunzione sono un esempio ben riuscito di questa particolare tecnologia.

Per rendere più stabili le celle di perovskite, potrebbe essere possibile combinarle con celle fotovoltaiche al silicio, ad esempio. Uno dei vantaggi che ne deriverebbe è che i diversi componenti delle due diverse tipologie di celle, se combinati assieme, possono catturare una gamma più ampia dello spettro. Mentre lo strato di silicio, infatti, assorbe e converte in elettricità principalmente la luce rossa e infrarossa, lo strato di perovskite è più efficiente nello spettro della luce blu, conferendo a questa tecnologia un’efficienza maggiore rispetto alle celle convenzionali.

Durante un test condotto nel dicembre 2022 dal Centro Helmholtz di Berlino, queste celle tandem in perovskite e silicio hanno raggiunto un’efficienza record del 32,5 %. Tuttavia, questo valore è stato raggiunto solo su un’area di 1 cm². I ricercatori si stanno ora adoperando per ottenere risultati analoghi su superfici più ampie, pari o superiori a 100 cm², dove l’efficienza è attualmente ancora ferma al 22,5 %, vale a dire al livello di efficienza di una cella fotovoltaica convenzionale di silicio.

Conclusione

Così come in passato, anche nei prossimi anni il mondo dei moduli fotovoltaici sarà soggetto ad una continua evoluzione. Nel corso di questa evoluzione, le tecnologie diventeranno più accessibili, i livelli di efficienza continueranno a crescere ed emergeranno nuove tecnologie che alimenteranno e guideranno sempre più il mercato fotovoltaico.

Link utili

Moduli fotovoltaici disponibili da Memodo

Istituto Fraunhofer per i sistemi di energia solare

Centro Helmholtz di Berlino