Il mondo della ricerca e dello sviluppo della tecnologia fotovoltaica, fin dalla sua nascita, ha perseguito l’obiettivo di aumentare l’efficienza di conversione: produrre più elettricità utilizzando meno spazio presenta evidenti vantaggi, non ultimo la riduzione dei costi.
L’evoluzione delle celle solari è iniziata all’inizio del 1839 osservando l’effetto fotelettrico su alcuni materiali; decenni dopo le celle sono migliorate fino a raggiungere la tecnologia del silicio cristallino, di due tipi: “Mono” cresciuto attraverso il processo Czochralski e “Poly” attraverso la solidificazione direzionale, che ha iniziato a dominare il mercato. Nel corso degli anni sono apparse anche altre tecnologie basate su materiali diversi dal silicio, come le perovskiti, il tellururo di cadmio {CdTe} e il diseleniuro di rame-indio-gallio {CIGS}.
Tuttavia, la ricerca di una maggiore efficienza ha spinto gli istituti di ricerca e i produttori a trovare sempre nuove soluzioni per colmare il divario tra laboratorio e fabbrica. Nel corso degli anni sono emerse sul mercato tecnologie e soluzioni mature per l’industria e riteniamo utile riassumere le più comuni con i relativi acronimi.
Le celle solari PERC (Passivated Emitter and Rear Cell) sono una famiglia di celle basate sul silicio monocristallino che comprendono le tecnologie PERL (Passivated Emitter Rear a diffusione parziale) e PERT (Passivated Emitter Rear a diffusione totale). La tecnologia è stata sviluppata per la prima volta dallo scienziato Martin Green e dalla sua équipe in Australia all’inizio degli anni ’80. Il processo di produzione delle celle PERC prevede due fasi aggiuntive rispetto alle celle monocristalline standard: uno strato aggiuntivo sul retro della cella e la successiva apertura di fori in questo secondo strato.
Concentrandosi anche sul lato posteriore della cella, è stato possibile aumentare il livello di efficienza di conversione e, allo stesso tempo, ottenere ulteriori vantaggi tecnici come un coefficiente di temperatura più basso e una migliore performance anche in condizioni di luce diffusa rispetto alle celle monocristalline standard, grazie alla maggiore durata del portatore di carica elettrica.
Grazie a un concetto basato su quello che all’epoca era lo standard industriale, la tecnologia poteva essere facilmente e rapidamente integrata in linee di produzione già esistenti senza grandi investimenti. Dal 2015 in poi la tecnologia PERC ha iniziato a diffondersi rapidamente ed è stata incoronata come il nuovo Re del settore fotovoltaico.
Ma ora, con il PERC che sta raggiungendo il suo limite di efficienza, altre tecnologie come TopCon, N-HJT e N-IBC si stanno facendo carico dell’aumento dell’efficienza basando il nucleo di silicio su materiale con carica negativa (N-type).
Le celle N-type sono drogate con fosforo con un elettrone in più rispetto al materiale di P-type (comune per PERC, Mono, Poly), questo elettrone in più aumenta l’efficienza di conversione portando la cella a livelli di efficienza ancora più elevati di quelli raggiungibili con tecnologia PERC.
Cenni storici: la prima cella solare commerciale in silicio era basata sull’N-type (USA Bell Labs 1954), ma nonostante ciò abbiamo assistito a un mercato dominato dal P-type (silicio a carica positiva), in quanto questa tecnologia si è dimostrata più resistente alla degradazione da parte dei raggi cosmici, dato che i primi pannelli fotovoltaici sono stati sviluppati per l’industria spaziale e non per uso terrestre.
Le celle solari a etero-giunzione (HJT) combinano due tecnologie diverse in un’unica cella: una cella di silicio cristallino tra due strati di silicio amorfo “a film sottile”.
La tecnologia HJT fonde così le qualità del silicio cristallino con quelle del silicio a film sottile per ottenere rendimenti più elevati. La struttura della cella è simmetrica, con un elevato fattore di bifaccialità, e i vari strati lavorano insieme per massimizzare l’energia dello spettro solare sia per la luce diretta che per quella diffusa.
L’azienda elettronica giapponese Sanyo ha introdotto l’idea dell’eterogiunzione HJT già all’inizio degli anni ’80 ed è stata poi rilevata da Panasonic alla fine del 2009.
Nel 2010 è scaduto il brevetto che proteggeva l’invenzione HJT di Panasonic e con ciò la tecnologia è stata resa disponibile per i fornitori e i produttori di apparecchiature per ulteriori sviluppi e opportunità commerciali.
Le celle solari IBC (Interdigitated Back Cell) si caratterizzano per avere tutti i contatti sul retro, consentendo all’intera parte anteriore della cella di assorbire la luce senza alcuna ombreggiatura prodotta dai contatti della superficie anteriore. La principale modifica strutturale apportata alle celle solari IBC è l’inclusione di uno strato diffuso, caratterizzato da strati interdigitati N-type e P-type che consentono la stampa di contatti metallici sulla superficie posteriore. Questa soluzione tecnologica avanzata aumenta la superficie esposta al sole, consentendo a un maggior numero di fotoni di essere “catturati” e trasformati in elettroni, aumentando così l’efficienza complessiva della conversione.
Le celle solari IBC hanno un potenziale di efficienza superiore rispetto ad altre tecnologie, ma non solo: le celle IBC ZEBRA possono evolversi ulteriormente, riducendo in modo significativo l’uso dell’argento, uno dei componenti che più incide sul prezzo della cella stessa.
Da quando tutto è iniziato lo sviluppo tecnologico dell’industria fotovoltaica è stato in continuo progresso, ma negli ultimi anni il settore ha visto un’accelerazione ancora più forte verso soluzioni sempre più efficienti e convenienti.
FuturaSun vi terrà aggiornati sulle principali innovazioni tecniche e scientifiche che si affacceranno sul mercato nel prossimo futuro, stay tuned!
