Innovazioni attuali e imminenti nelle tecnologie delle celle solari

L’energia solare, la terza più grande fonte di energia rinnovabile dopo l’energia idroelettrica ed eolica, è emersa come una alternativa pulita, sostenibile e potente ai combustibili fossili. La luce del sole che colpisce la Terra è più di 10.000 volte il consumo totale di energia del mondo, e le tecnologie per raccogliere quanta più energia solare possibile stanno aumentando rapidamente. Dai primi pannelli solari commerciali in silicio (Si) creati dai Bell Laboratories nel 1954, le tecnologie più comuni oggi usano diverse forme di celle solari basate sul Si e convertono fino al 20% della luce solare in elettricità.

Secondo l’analisi di mercato dell’AIE, la generazione del solare fotovoltaico (PV) – il processo di conversione della luce solare in elettricità – ha raggiunto 720 TWh nel 2019 da 585 TWh nel 2018 e si prevede di crescere fino a 1.940 TWh entro il 2025. L’attuale capacità massima globale di energia solare è di 592 GW, contribuendo per il 2,2% alla produzione globale di elettricità.

Quali sono i materiali innovativi attuali e futuri?

Una tipica cella solare è costituita da materiali semiconduttori come il silicio di tipo p e n con una giunzione p-n stratificata collegata a un circuito esterno. L’illuminazione della luce solare sui pannelli causa l’espulsione di elettroni dal silicio. Gli elettroni espulsi sotto un campo elettrico interno creano un flusso attraverso la giunzione p-n e il circuito esterno, generando una corrente (elettricità). Con un mercato in rapida crescita e lo sviluppo di applicazioni creative, la R&D sui materiali innovativi per l’energia solare è al massimo per ottenere la massima efficienza solare-elettrica a basso costo. Tre tipi di materiali semiconduttori altamente studiati oggi sono il Si cristallino, i film sottili e le celle solari di perovskite (PSC) di nuova generazione.

Silicio cristallino

Il silicio cristallino (c-Si) è il materiale semiconduttore più usato nei pannelli solari, occupando più del 90% del mercato fotovoltaico globale, anche se l’efficienza è significativamente sotto il limite teorico (~30%). Stanno emergendo celle solari fatte di materiali alternativi a basso costo e ad alta efficienza.

Il National Renewable Energy Laboratory (NREL) sta guidando lo sviluppo del fotovoltaico cristallino ad alta efficienza, che comprende materiali multigiunzione III-V (con efficienza target del >30%) e celle solari ibride tandem III-V/Si. Le loro celle solari III-V a sei giunzioni hanno raggiunto un’efficienza del 47,1% sotto luce concentrata. Inoltre, la tecnologia bifacciale basata sul Si può raccogliere l’energia solare da entrambi i lati del pannello, con l’11% di efficienza in più rispetto ai pannelli standard.

Film sottili

Le celle solari a film sottile di seconda generazione stanno apparendo come una delle tecnologie fotovoltaiche più promettenti grazie al loro design stretto (strati di assorbimento della luce 350 volte più piccoli rispetto ai pannelli Si standard), al peso leggero, alla flessibilità e alla facilità di installazione. Tipicamente, quattro tipi di materiali sono usati nella loro costruzione: cadmio-telluride (CdTe), silicio amorfo, rame-indio-gallio-selenide (CIGS), e gallio-arsenide (GaAs). Mentre il CdTe ha un problema di tossicità dovuto al cadmio, le celle solari CIGS si stanno rivelando le opzioni ad alta efficienza ed economiche più promettenti sia per le installazioni residenziali che commerciali, con un’efficienza fino al 21%.

Ascent Solar è uno dei top player nella produzione di moduli CIGS ad alte prestazioni, con la loro tecnologia CIGS superleggera ed estrema utilizzata nei settori spaziale, aerospaziale, governativo e pubblico.

Celle solari in perovskite

Tra le celle solari di nuova generazione, le celle solari ibride in perovskite ad alogenuri metallici (PSC) hanno attirato una grande attenzione grazie al loro basso prezzo, al design più sottile, alla lavorazione a bassa temperatura e alle eccellenti proprietà di assorbimento della luce (buone prestazioni con luce bassa e diffusa). I PSC possono essere flessibili, leggeri e semitrasparenti. In particolare, i film sottili di perovskite possono anche essere stampati, portando a una produzione scalabile ad alta produttività, e un recente PSC stampato roll-to-roll ha raggiunto il 12,2% di efficienza, la più alta tra i PSC stampati.

In particolare, i materiali combinati perovskite e Si-PV hanno mostrato un’efficienza record fino al 28% in condizioni di laboratorio, come dimostrato da Oxford PV. Mentre la stabilità e la durata sono rimaste una delle principali preoccupazioni, un recente sistema di incapsulamento a basso costo con pila di polimeri e vetro ha permesso ai PSC di resistere alle condizioni operative standard. Anche se i PSC non sono ancora commercializzati, essi detengono significativi vantaggi economici e di efficienza per guidare il futuro del mercato dell’energia solare.

Quali sono le tecnologie innovative delle celle solari integrative?

Oltre ai materiali innovativi, stanno emergendo anche metodi creativi per raccogliere la massima energia solare. Per esempio, la start-up svizzera Insolight sta usando lenti integrate come booster ottici nel vetro protettivo dei pannelli per concentrare i fasci di luce di 200 volte e raggiungere un’efficienza del 30%.

Un altro sviluppo recente è la progettazione di prototipi di dispositivi fotovoltaici termoradiativi, o pannelli solari al contrario, che possono generare elettricità di notte utilizzando il calore irradiato dai pannelli allo spazio profondo otticamente accoppiato, che serve come un dissipatore di calore.

Interessante, insieme ai materiali innovativi, anche le applicazioni integrative diverse dalle installazioni standard sui tetti stanno sorgendo e sono attualmente in fase iniziale. Per esempio, la distillazione solare può raccogliere l’energia solare utilizzando il calore dissipato dai pannelli per purificare l’acqua, se c’è un attacco integrato di distillazione a membrana.

Un’altra tecnologia trasformativa del futuro potrebbe essere quella delle vernici solari, che comprendono l’idrogeno a vernice solare (genera energia dalla scissione dell’acqua fotovoltaica), i punti quantici (vernice fotovoltaica) e le vernici a base di perovskite.

Inoltre, le finestre solari trasparenti sono applicazioni altamente innovative, e Ubiquitous Energy ha raggiunto un’efficienza di conversione solare-elettrica del 10% con i suoi materiali trasparenti. Una dimostrazione della Michigan State University, un pioniere in questa tecnologia, può essere vista in questo video:

Con il rapido sviluppo di materiali semiconduttori a basso costo e ad alte prestazioni, film sottili salvaspazio e tecnologie facilmente installabili, il mercato dell’energia solare è destinato a crescere nei prossimi cinque anni. Nonostante la battuta d’arresto causata dalla pandemia, la prevista riduzione dei costi dal 15% al 35% entro il 2024 per le installazioni solari è incoraggiante e potrebbe rendere questa energia rinnovabile più accessibile.

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