Pannelli solari a film sottile
Gli impianti fotovoltaici, conosciuti anche come celle solari, possono essere realizzati non solo con il silicio ma anche con altri materiali. Nell’ambito delle celle solari a film sottile, si distinguono quelle in perovskite (Pk), che sono considerate molto promettenti. In poco meno di due decenni è stato possibile aumentare l'efficienza delle celle solari in perovskite fino a raggiungere circa lo stesso livello delle migliori celle a base di silicio. In confronto, le celle a base di perovskite presentano una serie di vantaggi interessanti, ma non sono prive di svantaggi. Andiamo con ordine.
Cosa sono le perovskiti?
Il termine "perovskite" (dal nome di un mineralogista russo) indica originariamente l'ossido di calcio e titanio (Ca2TiO3), noto anche come titanato di calcio. In seguito è stato esteso a materiali con una struttura cristallina speciale comparabile (da ortorombica a cubica). Le perovskiti sono quindi materiali con struttura ABX3, dove A, B e X possono rappresentare diversi elementi e composti. Una cella solare a base di perovskite contiene molti altri componenti oltre allo strato di Pk vero e proprio: la struttura ottimale per ottenere la massima stabilità e la massima efficienza possibile è oggetto di studi da parte di molti istituti di ricerca e aziende in tutto il mondo.
I vantaggi delle celle solari a perovskite
Le celle in Pk offrono una serie di vantaggi che le rendono un'alternativa interessante alle celle in silicio (Si). Dal 2009 al 2024, l'efficienza delle celle in Pk ottenuta in laboratorio è passata dal 3,8% al 26,1%, quasi quanto il valore più alto mai raggiunto dalle celle in Si (26,8%). Tuttavia, mentre le celle in Si convertono principalmente la luce rossa e infrarossa, le perovskiti possono utilizzare anche la luce con lunghezza d'onda inferiore. L'approccio più promettente sembra quindi essere quello di combinare strati di Pk e di Si per utilizzare l'intero spettro luminoso per la produzione di energia. Più avanti spiegheremo meglio queste cosiddette celle solari “tandem”.
Le perovskiti consumano nella produzione molta meno energia rispetto al silicio, che richiede temperature superiori ai 1000°C, e grazie agli strati sottili, si consuma molto meno materiale (100 volte!). Le celle in Pk possono essere installate in modo più flessibile grazie a opzioni aggiuntive come il design del colore e la trasparenza. Ciò rende le celle in Pk interessanti per molte superfici che non possono essere coperte con le celle in Si, ad esempio pareti di case, tetti con bassa capacità di carico e molto altro.
Quali sono le sfide?
Finora, quasi tutti i record di efficienza e i risultati di progettazione sono stati raggiunti con celle in perovskite in laboratorio e su piccole superfici; la scalabilità e la produzione industriale sono ancora, per la gran parte, in sospeso. Il problema principale nella pratica è la durata e la robustezza delle celle in Pk: sono più sensibili all'umidità e alle influenze ambientali rispetto alle celle in Si (durata di circa 25-30 anni), per cui la loro durata è attualmente stimata da mesi a pochi anni.
Attualmente è in corso un'intensa attività di ricerca per aumentarne la durata. Esistono diversi approcci, come la limitazione della mobilità degli ioni, la riduzione delle reazioni chimiche (mediante incapsulamento) e l'utilizzo di strati limite più robusti. In un articolo pubblicato su Nature all'inizio dell'anno, dei ricercatori cinesi descrivono come sono riusciti a creare, utilizzando un movimento controllato di ioni limitato allo strato di perovskite, celle in Pk stabili che hanno ottenuto ottime prestazioni anche in prove di carico a lungo termine.
Cosa sono le celle solari tandem?
Le celle solari tandem composte da strati di silicio e perovskite hanno, al momento, il potenziale maggiore. Combinando questi due materiali, è possibile utilizzare aree più ampie dello spettro luminoso e persino ottenere efficienze superiori al 33,2%, il limite fisico per un singolo materiale. Il record attuale è del 33,9%, ben al di sopra del valore ottenibile con celle in Si puro. In linea di principio, sono possibili anche celle tandem e multiple utilizzando solo strati di perovskite (con efficienze simili); tuttavia, questo aggrava il problema della stabilità.
Quali sono gli sviluppi attuali?
Oxford PV è stato il primo produttore commerciale al mondo a consegnare i primi moduli tandem in silicio-perovskite a un cliente negli Stati Uniti nel settembre 2024. I moduli a 72 celle, prodotti nei pressi di Berlino, raggiungono un'elevata efficienza del 24,5%; non si sa ancora nulla della durata prevista. Resta da vedere in che misura questo segnerà l'inizio di una nuova era nella produzione di energia solare; quel che è certo, però, è che il potenziale della tecnologia a base di perovskite è enorme in termini di tempo di ammortamento.
Cosa propone INGUN per il fotovoltaico?
Sia l'ottimizzazione dell'efficienza delle celle solari che la produzione nel suo complesso dipendono da un'adeguata tecnologia di prova, che consenta il contatto con il minor grado possibile di ombreggiamento. I contatti a molla di INGUN sono specializzati nel ridurre al minimo l'ombreggiamento. La tecnologia a quattro conduttori può essere utilizzata anche per compensare le influenze della linea e misurare contemporaneamente corrente e tensione sul campione di prova. In collaborazione con clienti, partner e istituti di ricerca, INGUN sviluppa costantemente nuove soluzioni essenziali per l’introduzione sul mercato di tecnologie innovative, come ad esempio le strisce di prova per il contatto delle celle solari senza busbar.