Celle solari flessibili, il futuro del fotovoltaico efficiente.


La produzione di energia elettrica dalla luce del sole attraverso celle fotovoltaiche sta godendo negli ultimi anni dell’aumento degli investimenti, sia in ambito industriale che nella ricerca. Il punto chiave resta il costo per watt dell’elettricità prodotta. Oggigiorno esistono molte possibili soluzioni riguardo alla scelta dei materiali da impiegare nella produzione delle celle solari, ma il costo del trattamento per unità di superficie può scendere ancora molto al di sotto di quello attuale.

Mentre la maggior parte dell’attuale produzione di celle solari si basa sull’utilizzo di wafer di silicio cristallino o policristallino, il futuro del fotovoltaico è nello sviluppo di nuovi processi produttivi a basso costo per la realizzazione di dispositivi nanostrutturati a film sottile, che permettano di raggiungere efficienze altissime (circa 50%). Negli Stati Uniti e in Europa si sta lavorando in questa direzione.

Harry Atwater, professore al Caltech (California Institute of Technology), afferma che il modo per rendere le celle solari competitive con i combustibili fossili è quello di renderle sottili e flessibili. Il loro potenziale risiede nella possibilità di ridurre sensibilmente le spese di trasporto e di installazione, oltre alla maggiore facilità di integrazione sulle facciate e sui tetti degli edifici.

I ricercatori del Caltech hanno creato un nuovo materiale destinato alla realizzazione dei pannelli solari di nuova generazione che potrebbero sostituire le tradizionali celle fotovoltaiche.

Struttura degli elementi di intrappolamento della luce che ottimizzano l’assorbimento della luce della cella realizzata presso il Caltech.

Attualmente esistono due tipologie principali di celle fotovoltaiche: le celle rigide in silicio, molto efficienti, ma anche costose da realizzare e relativamente fragili; le celle a film sottile, molto a buon mercato rispetto alle prime, ma non così efficienti. Il nuovo materiale sviluppato dal gruppo di ricerca americano può potenzialmente colmare il gap tra le tradizionali celle in silicio (efficienti ma molto costose) e le più moderne celle a film sottile (relativamente a basso costo ma poco efficienti), permettendo la realizzazione di celle fotovoltaiche con bassi costi di produzione, ma che garantiscano un’efficienza prossima a quella dei tradizionali pannelli a base di silicio. A differenza dei pannelli solari rigidi, i pannelli solari flessibili non hanno bisogno di essere protetti da telai rigidi. In questo modo, occupando molto meno spazio, si riducono drasticamente i costi di trasporto. Sono anche più leggeri, il che li rende più facili da installare. La cosa che finora ha rallentato la diffusione delle celle solari flessibili è che di solito non sono molto efficienti rispetto alle tradizionali celle solari in silicio cristallino.

Atwater ha di recente mostrato un nuovo modo per utilizzare materiali ad alta efficienza nella produzione di celle solari flessibili. Questa nuova tecnica consiste nell’accrescimento del silicio cristallino sottoforma di sottili fili su wafer quadrati di silicio rivestiti con un sottile strato di metallo che funge da catalizzatore, e poi nello staccare letteralmente il film plastico creatosi come se fosse un sottile pezzo di gomma. Il prodotto finale è un sottile pezzo di polimero flessibile con una serie di fili di silicio all’interno. Si tratta principalmente di materia plastica con una piccola percentuale di silicio (2% silicio, 98% polimeri).

Il substrato, consistente in un wafer quadrato di silicio, è utilizzato solo come base sulla quale accrescere il silicio, non è utilizzato nel prodotto finale ed è riutilizzabile.

Il processo produttivo è relativamente semplice e utilizza il 99% in meno di silicio rispetto ad un normale pannello solare. Nonostante la piccola quantità di silicio impiegato, questo nuovo materiale garantisce un elevato tasso di assorbimento solare, con livelli di efficienza che in laboratorio sono andati oltre il 17%, valore competitivo con quello misurabile per le attuali celle solari. Inoltre, costo minore e efficienza maggiore fanno diminuire il costo per watt dell’energia solare prodotta. Atwater prevede che il costo di produzione e installazione di queste celle solari possa essere meno di un dollaro al watt, abbastanza basso per competere con i combustibili fossili.

Rimane un dubbio sulla durata di questi pannelli. I pannelli attualmente in commercio hanno tempi di vita che superano i dieci anni. Ci vorranno alcuni test a lungo termine per dimostrare che le celle realizzate con questa nuova tecnologia possano durare altrettanto a lungo.

Celle solari flessibili in CIGS su un leggero film di polimeri.

Anche in Europa la ricerca sta andando nella stessa direzione. Gli scienziati dei Laboratori federali svizzeri per la scienza e la tecnologia dei materiali (EMPA) hanno ottenuto un nuovo record di efficienza per celle fotovoltaiche flessibili a film sottile con supporto di polimero. Il nuovo valore del 17,6%, per altro certificato in maniera indipendente dall’Istituto Fraunhofer per sistemi a energia solare (ISE) di Friburgo, Germania, è eccezionalmente superiore al primato precedente del 14,1%. Per arrivare a questo risultato i ricercatori dell’EMPA hanno lavorato in collaborazione con la società svizzera Flisom, specializzata nella costruzione di pannelli fotovoltaici flessibili.

È stato utilizzato un materiale comunemente impiegato nella realizzazione di celle di questo tipo: il diseleniuro di rame, indio e gallio (CIGS). Variando la concentrazione di gallio lungo lo spessore dello strato di CIGS è stato possibile ottenere tali risultati. Hanno, inoltre, definito un nuovo processo di accrescimento per CIGS di alta qualità, che permette di lavorare a temperature molto più basse del normale, evitando i problemi di perdita di stabilità dei film polimerici alle alte temperature.

Il nuovo record è importante perché per la prima volta l’efficienza delle celle con supporto polimerico uguaglia sostanzialmente quella delle celle con supporto metallico. Inoltre, il risparmio di energia dovuto alla più basse temperature (450 gradi contro i 550 gradi necessari nei processi produttivi su supporto metallico) contribuisce a rendere conveniente questa nuova tecnologia, perché si traduce in minori costi di produzione.

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