Tecnologie fotovoltaiche, non solo silicio: i moduli in film sottile

I pannelli fotovoltaici più conosciuti sono sicuramente quelli in silicio, monocristallino o policristallino. Ma ci sono altre tecnologie, forse meno conosciute, che permettono la conversione fotovoltaica tramite l’impiego di altri materiali.  Se da una parte le tecnologie in film sottile hanno un costo più basso rispetto al silicio cristallino, dall’altra il rendimento non era a livello tali da generare interesse nel mercato, ma la ricerca e lo sviluppo hanno portato in breve tempo i rendimenti del film sottile a livelli di assoluta competitività rispetto al silicio cristallino, a volte anche superiori oltre ad alcuni vantaggi che vedremo in seguito.

I moduli in film sottile, devono il loro minor costo al fatto che la quantità di silicio necessaria alla produzione di energia elettrica è notevolmente inferiore ai moduli cristallini. Se uniamo questo fattore ad un rendimento ormai similare, possiamo dire con certezza che il futuro del film sottile è di assoluto interesse nel panorama delle tecnologie fotovoltaiche.

Vediamo quali sono i principali materiali utilizzati nella produzione di moduli fotovoltaici in film sottile, limitandoci alle tecnologie disponibili su mercato con rendimenti simili a quelli dei moduli in silicio cristallino.

 SILICIO AMORFO

In questo caso gli atomi di Silicio sono disposti con una struttura disorganizzata (amorfa) sulla superficie del modulo, consentendo l’utilizzo di una quantità esigua di silicio con spessori di pochi micron. Il silicio amorfo è la forma allotropica non cristallina del silicio. Uno dei motivi che lo rendono molto economico è la possibilità di essere depositata in modo “agevole” su grandi superfici, e di diverso tipo, come il vetro o la plastica. Il silicio amorfo è sfortunatamente soggetto a degradazione indotta dalla luce (effetto Staebler-Wronski) e mostra in genere un’efficienza meno stabile di altre tecnologie.

CdTe (Tellururo di Cadmio)

Il tellururo di cadmio è un composto chimico cristallino e stabile formato da cadmio e tellurio.  Si tratta di un semiconduttore con caratteristiche simili all’arseniuro di gallio o al silicio ma meno costoso, poiché sia il cadmio che il tellurio sono considerati materiali di scarto nei processi di estrazione dei minerali non ferrosi.  L’efficienza di conversione è molto vicina a quella del silicio cristallino (recentemente First Solar ha annunciato un rendimento del 14,4% del modulo con un rendimento della cella che arriva al 17,3%) ma con un costo molto inferiore grazie all’utilizzo dell’ 1% del materiale necessario con l’uso del silicio. Il tellururo di cadmio è un semiconduttore che ha la capacità di assorbire la radiazione solare in modo più efficiente rispetto al silicio. Il CdTe infatti assorbe l’energia della radiazione solare anche in condizioni di luce diffusa, e pertanto produce elettricità con più efficacia in situazioni di scarsa illuminazione (cielo nuvoloso) e nelle ore del tramonto e dell’alba, periodi della giornata nei quali le celle tradizionali mostrano una netta riduzione di efficienza. I moduli in TeCd inoltre patiscono meno la temperatura (le alte temperature diminuiscono le prestazioni dei moduli), risultando più efficienti durante le ore più calde dell’estate, o in casi di totale integrazione senza ventilazione naturale dei moduli.

CIGS (Copper-Indium-Gallium-Selenide)

Le celle in CIGS sono formate da rame, indio, gallio e selenio. La tecnologia CIGS è sicuramente quella che sta dando i migliori risultati, arrivando negli ultimi mesi a rendimenti davvero inaspettati e superiori alle tradizionali celle in silicio cristallino  (la società Californiana Mia Solè ha da poco annunciato un rendimento del 15,4%, mentre in laboratorio, ovvero prima del processo produttivo e di assemblaggio,  le celle hanno raggiunto rendimenti superiori al 20%).  I moduli in CIGS hanno la capacità di produrre più energia elettrica a parità di radiazione rispetto alle altre tecnologie in film sottile. Un’altra caratteristica dei moduli in CIGS è quella di mantenere un rendimento di conversione praticamente stabile nel tempo, con prestazioni che rimangono invariate per molti anni.  E’ da evidenziare che in condizioni di test standard di laboratorio eseguiti sui materiali prima dei processi di lavorazione e assemblaggio, le celle in CIGS hanno rendimenti uguali alle migliori celle in silicio cristallino.  I moduli realizzati con tecnologia CIGS sono spesso accompagnati da garanzie  di 25 anni, in quanto non vi sono processi che ne degradino le prestazioni. Anzi a volte le prestazioni migliorano nel tempo grazie ad una rigenerazione del reticolo cristallino.

CIS(Diseleniuro di Indio Gallio)

I moduli in CIS sono in grado di assorbire un ampio spettro di luce e di sviluppare una notevole potenza anche in condizioni meteo non ottimali (luce diffusa, giornate nuvolose, alba, tramonto, etc). I moduli in CIS, grazie a queste caratteristiche, unite alla nitevole durata e stabilità, sono adatti ad installazioni in zone con condizioni meteo estremamente variabili. I moduli in CIS hanno rendimenti prossimi al 13%.  Queste celle hanno una resa superiore a quella del silicio cristallino, con una produttività di energia maggiore a parità di condizioni. I coefficienti di temperatura sono migliori di quelli del silicio, quindi il modulo ha prestazioni che degradano meno con l’aumento della temperatura.

Analizzando quindi le caratteristiche dei moduli in film sottile, si nota come nella maggior parte dei casi (ad eccezione del silicio amorfo), i rendimenti di conversione dei moduli siano a parità di condizioni simili a quelli dei moduli in silicio cristallino, e come alcune caratteristiche siano favorevoli all’utilizzo del film sottile (non ultime i migliori coefficienti di temperatura e la noteviole stabilità delle prestazioni nel tempo).

Ora se consideriamo che anche i rendimenti dei moduli in film sottile sono arrivati al livello (e oltre) dei moduli più diffusi in silicio cristallino, siamo davvero di fronte a tecnologie da tenere in debita considerazione, aspettiamo solo la diffusione in larga scala, ed un cambio di mentalità (spesso il silicio cristallino viene considerato come unica opzione),  ma riteniamo che il futuro del film sottile sia davvero roseo.

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