Principali tipologie di celle solari

La maggior parte delle celle solari attualmente in commercio sono composte da silicio, ma nel corso degli anni sono stati sviluppati numerosi tipi di dispositivi fotovoltaici, realizzati con diversi materiali e con diverse proprietà. Al giorno d’oggi esiste una vasta gamma di tecnologie fotovoltaiche ed esse sono generalmente classificate in tre generazioni, a seconda del materiale di base utilizzato, del loro costo e del livello di maturità raggiunto (Figura 2.9).

Figura 2.9: Efficienza e costi per le tre generazioni di celle fotovoltaiche.

2.6.1 Prima generazione

La prima generazione di celle solari è basata su wafer in silicio monocristallino e policristallino. La sua commercializzazione iniziò nel 1963, quando la Sharp

Corporation® produsse il primo modulo in silicio cristallino ed in Giappone venne

installato il primo sistema fotovoltaico. Questi dispositivi utilizzano una singola giunzione tra due semiconduttori (uno di tipo n e uno di tipo p), che viene in seguito incapsulata e completata per realizzare il dispositivo fotovoltaico. Circa il 90% delle celle solari nel mondo sono realizzate a partire da wafer di silicio cristallino (c-Si), tagliato da grandi lingotti: questi sono cresciuti in laboratori con un elevato grado di purezza e tramite processi che richiedono un gran dispendio energetico e molto tempo per essere completati.

Figura 2.10: Diversi esempi di celle solari e pannelli di prima generazione basati principalmente su silicio di tipo monocristallino o policristallino.

Le celle di prima generazione mostrano efficienze comprese tra il 15% e il 20% e sono attualmente le più diffuse e dominanti nel mercato fotovoltaico. I punti di forza di queste celle solari sono la loro grande stabilità e le buone prestazioni. Tuttavia questi dispositivi richiedono molta energia per la realizzazione e sono necessariamente installati su pannelli rigidi. Dopo più di venti anni di ricerca e sviluppo in questo campo con ottimi risultati, l’industria fotovoltaica dovette riconoscere che l’economia delle celle prodotte secondo queste metodologie era dominata principalmente dal costo delle materie prime. Non era più possibile abbattere le spese di produzione se non cambiando l’orizzonte tecnologico.

2.6.2 Seconda generazione

Negli anni ’70 si arrivò alla seconda generazione, la tecnologia dei materiali a film sottile. Le celle solari di prima generazione sono realizzate a partire da sottili wafer con spessore di circa 200μm, le celle solari a film sottile sono invece dispositivi circa 100 volte più sottili, costituite da strati di semiconduttore di circa 1-4μm di spessore, depositati su substrati economici.

La maggior parte di queste celle sono sempre realizzate in silicio, ma in una differente forma, conosciuta con il nome di silicio amorfo (a-Si), in cui gli atomi sono riarrangiati in modo casuale invece di essere ordinati secondo una precisa struttura cristallina. Altri dispositivi appartenenti a questa generazione sono realizzati con altri materiali: i principali sono le celle a base di Cd-Te (tellururo di

cadmio), e le celle CIGS (di-seleniuro di rame indio gallio). Indipendentemente

dal semiconduttore coinvolto, dal momento che vengono eliminati i wafer, questa tecnologia offre buone prospettive di una notevole riduzione nel costo dei materiali, a parità di assorbimento della luce a confronto con celle solari della generazione precedente.

Figura 2.11: Pannello solare a film sottile di seconda generazione, realizzato su un substrato in plastica flessibile.

Grazie al loro spessore molto ridotto, della leggerezza e flessibilità, le celle di seconda generazione possono essere applicate facilmente su svariate superfici, come vetro, polimeri o metalli e possono essere assemblati su strutture flessibili e leggere. Tuttavia ciò che queste celle guadagnano in flessibilità lo perdono in prestazioni, infatti la loro efficienza si attesta attorno al 10%-15%: questo è uno dei motivi per cui, nonostante i vantaggi pratici, questo tipo di celle hanno avuto solo un piccolo impatto nel mercato dei dispositivi fotovoltaici. Inoltre la loro realizzazione include ancora processi sotto vuoto e trattamenti ad alte temperature, e quindi ad alto consumo energetico, e sono in parte basate su materiali non molto diffusi sulla superficie terrestre, il che risulta un fattore altamente limitante per la loro diffusione.

Oggi le celle solari a film sottile cominciano ad essere distribuite sul mercato in quantità significative. Sul fronte dell’efficienza, con il tempo, ci si aspetta che la tecnologia di seconda generazione cresca costantemente per colmare il divario tra le sue prestazioni e quelle dei dispositivi di prima generazione.

2.6.3 Terza generazione

Una classe di celle solari a film sottile emersa di recente è stata chiamata terza

generazione: questa fa riferimento a dispositivi che hanno il potenziale di

superare gli attuali limiti di efficienza e che sono basati su materiali innovativi. Le ultime tecnologie combinano le migliori caratteristiche della prima e seconda generazione di celle: promettono cioè un’alta efficienza, sono realizzate con materiali diversi dal silicio, come ad esempio polimeri organici, cristalli di perovskite, nanotubi e coloranti, e utilizzano processi e tecnologie per la realizzazione a basso costo, spesso ricavati dalle tecnologie tipiche della stampa. Idealmente scelte di questo tipo dovrebbero rendere queste celle meno costose e più facili da realizzare rispetto alla prima e seconda generazione. L’obiettivo è chiaramente migliorare le celle solari attualmente in commercio rendendole più efficienti e rendendo l’energia solare meno costosa in modo che possa essere utilizzata più facilmente e da più persone.

Figura 2.12: Celle solari di terza generazione realizzate con materiali organici, trasparenti, colorate e su substrati in plastica o vetro.

Una nuova classe di celle solari attualmente molto studiate sono le celle solari a base di perovskite, che mostrano un grande potenziale di efficienza, di oltre il

20% per dispositivi non stabilizzati e di area molto piccola (2). Altri dispositivi

interessanti sono le celle polimeriche, che offrono molti vantaggi, come una produzione su larga scala semplice, veloce ed economica e l’utilizzo di materiali che sono poco costosi. Tuttavia le performance e la stabilità di queste nuove celle solari sono ancora limitate se confrontate con la prima generazione: la maggior parte del lavoro e dello sviluppo di questi dispositivi è quindi realizzato nei laboratori e non è ancora disponibile sul mercato.

A questa categoria di celle appartengono anche le celle a multigiunzione (realizzate con diversi strati o diversi materiali semiconduttori), molto costose ma ad alte prestazioni (sono attualmente le celle con la maggior efficienza assoluta). Queste tuttavia hanno solo poche possibilità di applicazioni commerciali, in quanto hanno un costo di produzione elevatissimo, e sono quindi limitate a pochi utilizzi particolari.