Grazie ai progressi tecnologici e alla crescita su scala industriale, il costo della produzione di energia fotovoltaica (FV) continua a diminuire, configurandosi come una fonte energetica fondamentale per lo sviluppo sostenibile del futuro.
Componenti chiave della tecnologia fotovoltaica
Il componente principale della tecnologia di generazione di energia fotovoltaica è la cella solare fotovoltaica. L'evoluzione delle celle solari fotovoltaiche può essere suddivisa in tre generazioni. La prima generazione è costituita da celle solari a base di silicio; la seconda generazione comprende le celle solari a film sottile; e la terza generazione include nuove tecnologie come le celle fotovoltaiche ad alta concentrazione (HCPV), le celle solari organiche, le celle solari flessibili e le celle solari a colorante sensibilizzato. Attualmente, le celle solari a base di silicio dominano il mercato, mentre le celle a film sottile stanno gradualmente guadagnando quote di mercato. La maggior parte delle celle di terza generazione, ad eccezione delle HCPV, è ancora in fase di ricerca.
Celle solari a base di silicio
Tra le celle solari a base di silicio, la tecnologia del silicio monocristallino è la più matura. L'efficienza e il costo di queste celle sono influenzati principalmente dal processo di produzione, che comprende fasi come la fusione del lingotto, il taglio del wafer, la diffusione, la testurizzazione, la serigrafia e la sinterizzazione. Le celle solari prodotte con questo processo convenzionale raggiungono in genere un'efficienza di conversione fotoelettrica del 16-18%.
Le celle solari in silicio monocristallino offrono la massima efficienza di conversione, ma sono anche le più costose. Le celle solari in silicio policristallino consentono una significativa riduzione dei costi grazie alla produzione diretta di lingotti di silicio quadrati di grandi dimensioni, adatti alla produzione di massa. Questo processo è più semplice, consente di risparmiare energia, preserva le risorse di silicio e richiede una qualità del materiale inferiore.
La riduzione del costo delle celle solari può essere ottenuta attraverso due strategie principali: la diminuzione del consumo di materiale (ad esempio, la riduzione dello spessore dei wafer di silicio) e l'aumento dell'efficienza di conversione. I metodi per migliorare l'efficienza includono l'aumento dell'assorbimento della luce (ad esempio, la texturizzazione della superficie, i rivestimenti antiriflesso, la riduzione della larghezza dell'elettrodo frontale), la riduzione della ricombinazione dei portatori fotogenerati (ad esempio, la passivazione dell'emettitore) e la minimizzazione della resistenza (ad esempio, il drogaggio localizzato, la tecnologia del campo di superficie posteriore).
La massima efficienza di conversione mai registrata per le celle solari in silicio monocristallino è del 24,7%, raggiunta dalla cella solare con struttura PERL dell'Università del Nuovo Galles del Sud. Le caratteristiche tecnologiche chiave includono una bassa concentrazione di drogaggio con fosforo sulla superficie del silicio per ridurre la ricombinazione superficiale, un'elevata concentrazione di diffusione sotto gli elettrodi superficiali anteriore e posteriore per formare buoni contatti ohmici e l'uso della fotolitografia per restringere gli elettrodi superficiali anteriori, aumentando l'area di assorbimento della luce. Tuttavia, questa tecnologia non è ancora stata industrializzata.
Tra le altre tecniche per migliorare l'efficienza si annoverano le celle con superficie scanalata e testurizzata di BP Solar e la tecnologia a contatto posteriore (EWT). La prima raggiunge un'efficienza del 18,3% grazie alla scanalatura laser, che riduce la larghezza degli elettrodi frontali e aumenta l'assorbimento della luce. La seconda raggiunge un'efficienza del 21,3% spostando gli elettrodi frontali sul retro, aumentando così la superficie di assorbimento della luce.
Celle solari a film sottile
Sebbene le celle solari in silicio cristallino siano dominanti grazie alla loro elevata efficienza, ridurne significativamente il costo rappresenta una sfida a causa dell'alto prezzo del silicio. Le celle solari a film sottile, che utilizzano meno materiale, si sono affermate come un'alternativa economicamente vantaggiosa. I principali tipi di celle a film sottile includono le celle a film sottile a base di silicio, le celle al tellururo di cadmio (CdTe) e le celle al seleniuro di rame indio gallio (CIGS).
Le celle a film sottile a base di silicio hanno uno spessore di soli 2 micrometri, utilizzando circa l'1,5% del materiale di silicio necessario per le celle in silicio cristallino. A seconda del numero di giunzioni PN, queste celle possono essere a giunzione singola, doppia o multipla, ciascuna in grado di assorbire diverse lunghezze d'onda della luce solare. L'efficienza più elevata per le celle a giunzione singola si aggira intorno al 7%, mentre le celle a doppia giunzione possono raggiungere il 10%.
Le celle a film sottile di CdTe offrono un'efficienza maggiore (fino al 12%) grazie alle loro buone proprietà di assorbimento della luce. Tuttavia, la natura cancerogena del cadmio e le limitate riserve naturali di tellurio rappresentano sfide per lo sviluppo a lungo termine.
Le celle a film sottile CIGS sono considerate il futuro della tecnologia a film sottile ad alta efficienza. Modificando il processo di produzione, è possibile migliorarne l'assorbimento della luce, ottenendo così efficienze di conversione più elevate. Attualmente, le efficienze di laboratorio raggiungono il 20,1%, mentre i prodotti commerciali si attestano tra il 13% e il 14%, risultando le più efficienti tra le celle a film sottile.
Cellule di terza generazione
In teoria, le celle di terza generazione possono raggiungere elevate efficienze di conversione. Ad eccezione delle celle HCPV, la maggior parte è ancora in fase di ricerca. Le celle HCPV utilizzano tipicamente materiali semiconduttori III-V, che presentano una maggiore resistenza al calore e mantengono un'elevata efficienza di conversione anche in condizioni di forte illuminazione. Le strutture a giunzione multipla consentono a queste celle di adattarsi perfettamente allo spettro solare, con efficienze teoriche fino al 68%. La produzione commerciale può raggiungere efficienze superiori al 40%.
Le celle solari sono incapsulate in moduli e le loro applicazioni dipendono dalle caratteristiche e dalle richieste del mercato. Le prime applicazioni includevano stazioni base per le comunicazioni e satelliti, per poi estendersi alle aree residenziali, come i tetti solari. In questi scenari, le aree di installazione limitate e l'elevata densità energetica richiesta hanno favorito i moduli in silicio cristallino. Con lo sviluppo di centrali solari su larga scala e del fotovoltaico integrato negli edifici (BIPV), considerazioni di costo hanno portato a un aumento delle applicazioni delle celle a film sottile. Anche le condizioni ambientali e climatiche influenzano l'adozione di diverse tecnologie.
Applicazioni della tecnologia solare fotovoltaica
La conversione della radiazione solare in elettricità utilizzabile richiede un sistema fotovoltaico completo. Le celle fotovoltaiche costituiscono la base di questo sistema, che comprende anche inverter, batterie, sistemi di monitoraggio e sistemi di distribuzione.
Classificazione e composizione dei sistemi fotovoltaici
Gli impianti fotovoltaici si classificano in autonomi o connessi alla rete. Gli impianti autonomi possono essere indipendenti o ibridi.
I sistemi autonomi sono tipicamente utilizzati in aree remote, stazioni base di comunicazione e lampioni solari, e si basano interamente sull'energia solare. Comprendono moduli solari, inverter, regolatori di carica, batterie, sistemi di distribuzione e protezione contro i fulmini. Batterie e regolatori di carica incidono significativamente sul costo e sulla durata del sistema. I sistemi ibridi combinano l'energia solare con altre fonti, come generatori diesel o turbine eoliche.
I sistemi connessi alla rete, comunemente utilizzati per i tetti solari e le centrali fotovoltaiche su larga scala, non richiedono apparecchiature di accumulo, riducendo i costi. Questi sistemi includono moduli solari, inverter, sistemi di distribuzione, protezione contro i fulmini e sistemi di monitoraggio. Attualmente, i sistemi connessi alla rete rappresentano l'80% di tutte le applicazioni solari.
Altre tecnologie per la generazione di energia fotovoltaica
Oltre alla tecnologia delle celle fotovoltaiche, la tecnologia degli inverter, l'integrazione nella rete, i sistemi di accumulo e il monitoraggio intelligente sono fondamentali per i sistemi di generazione di energia fotovoltaica:
La potenza erogata dalle celle solari varia in base all'intensità della radiazione solare, causando intermittenza. L'integrazione su larga scala nella rete elettrica può avere un impatto sulla rete stessa, rendendo essenziali il controllo della rete e la protezione dall'isolamento.
L'energia prodotta dai moduli solari è in corrente continua (CC), il che richiede una conversione di alta qualità in corrente alternata (CA) tramite inverter.
La potenza erogata dal modulo può essere influenzata da fattori quali temperatura e ombreggiamento, rendendo necessari sistemi di monitoraggio e allarme.
La tecnologia di controllo remoto è fondamentale per gli impianti fotovoltaici situati in zone remote.
La Cina è leader nella produzione di moduli solari in termini di qualità e quantità. I settori più redditizi della filiera industriale includono la purificazione del silicio, gli inverter, i sistemi di monitoraggio e la produzione di apparecchiature fotovoltaiche. Raggiungere risultati innovativi in questi ambiti chiave rappresenta una sfida per l'industria fotovoltaica cinese.
Stato attuale e prospettive future della produzione di energia solare fotovoltaica
A causa degli elevati costi, la produzione di energia solare fotovoltaica non ha conosciuto uno sviluppo su larga scala fino alla fine del secolo scorso. Con l'inizio del XXI secolo, grazie al miglioramento dell'efficienza e alla rapida diminuzione dei costi, la produzione di energia solare fotovoltaica ha registrato una rapida crescita, con un aumento annuale della capacità installata. La capacità installata globale annua è passata da 1,4 GW nel 2000 a 22,8 GW nel 2009. Paesi europei come Germania, Italia e Spagna rappresentano i principali mercati, e l'UE prevede di aumentare la quota di energia solare al 12% del totale dell'approvvigionamento elettrico entro il 2020. Anche paesi in via di sviluppo come Cina e India hanno avviato piani di sviluppo per l'energia solare. Oltre alle stazioni base per le telecomunicazioni, ai tetti solari e alle centrali fotovoltaiche, l'energia solare fotovoltaica è ora ampiamente utilizzata in diversi dispositivi mobili.
In quanto fonte energetica supplementare e alternativa, la tecnologia fotovoltaica si sta sviluppando rapidamente, con costi di produzione in diminuzione. Grazie ai continui progressi tecnologici, l'energia solare, in quanto risorsa pulita e rinnovabile, è destinata a diventare una fonte energetica chiave per lo sviluppo sostenibile.
