Alla ricerca di celle solari ancora più performanti

Da alcuni anni l’energia solare è in rapida espansione in tutto il mondo. In dieci anni, la capacità installata a livello mondiale è decuplicata, passando da 150 GW a 1500 GW (nel 2023). Si tratta di una potenza di picco pari a circa 1150 volte quella della centrale nucleare di Leibstadt, il reattore più potente della Svizzera. L’energia solare sta quindi già contribuendo in modo sostanziale all’approvvigionamento energetico ed è destinata a diventare ancora più importante in futuro, anche nel nostro Paese, dove l’energia solare rappresenta già oggi circa il 10% del consumo annuo di elettricità.

Il silicio come standard

Le ragioni del boom del fotovoltaico sono diverse. Tra queste vi sono sicuramente condizioni generali favorevoli in molti Paesi, grazie alle relative politiche di promozione. Ma anche i progressi tecnologici hanno dato un contributo importante: le celle solari sono oggi molto più efficienti e convenienti rispetto a qualche anno fa.

Le celle solari in silicio monocristallino sono attualmente lo stato dell’arte e raggiungono efficienze di conversione fino al 25%. Ciò significa che la cella solare può convertire in corrente elettrica circa un quarto della radiazione solare incidente. Il rendimento effettivo di un impianto fotovoltaico si situa solitamente intorno al 20% a causa delle perdite di trasporto e di conversione.

Celle solari in tandem

In tutto il mondo sono in corso ricerche per l’ulteriore sviluppo delle celle solari basate sul silicio monocristallino. È possibile aumentarne ancora l’efficienza, ma solo di qualche punto percentuale. Il motivo è che il silicio, come tutti i semiconduttori, ha una cosiddetta bandgap, ossia può convertire in elettricità solo fotoni con una determinata energia. Inoltre, utilizza in modo inefficiente i fotoni blu ad alta energia. Per ovviare a questo inconveniente, sono in corso diversi progetti di ricerca che studiano il design e le modalità di funzionamento delle celle solari tandem. In una cella tandem, due materiali con diversa bandgap vengono combinati in un’unica cella solare in modo da ottenere un’efficienza più elevata.

Il prof. Christophe Ballif dirige il Sustainable Energy Center del CSEM e il PV-lab (laboratorio fotovoltaico) dell’EPFL e conduce ricerche in questo settore. «Stiamo lavorando a una cella solare tandem in cui combiniamo una cella di silicio con una cella di perovskite», spiega Ballif. «Due anni fa siamo già riusciti a ottenere un’efficienza di conversione della luce in elettricità del 31,3% per questo tipo di cella solare. È stata la prima volta al mondo che è stata superata la soglia del 30%». La sfida più grande è ora quella di produrre celle in perovskite affidabili. 

Progettazione della bandgap

La perovskite è una struttura minerale molto comune. Come il silicio, i semiconduttori in perovskite presentano una bandgap, cioè non sono in grado di assorbire tutti i fotoni in entrata. Tuttavia, a differenza del silicio, la bandgap della perovskite può essere controllata modificando la composizione del materiale. La perovskite ha inoltre il vantaggio che la sua produzione richiede meno energia ed è quindi meno intensiva di CO2 rispetto a quella delle celle in silicio. Inoltre, può essere applicata sotto forma di pellicola leggera e flessibile, il che la rende molto versatile. Il prof. Ballif è fiducioso che in futuro la perovskite sarà superiore al silicio in termini di costi e prestazioni. «Una volta risolti i problemi di stabilità, sono convinto che le combinazioni perovskite-silicio conquisteranno decisamente il mercato». Ma la strada per ottenere prodotti affidabili è ancora lunga in quanto questi materiali presentano una tendenza all’instabilità. 

Nuovi concetti di cella

Oltre alla perovskite, esistono altri concetti innovativi per le celle solari. La ricerca sulle cosiddette celle di Grätzel è stata avviata all’inizio degli anni Novanta. In parole povere, l’obiettivo è replicare tecnicamente la fotosintesi delle piante per sfruttare l’energia della luce solare. Questa tecnologia non è tuttavia ancora riuscita a imporsi sul mercato.

Un altro esempio sono le celle solari trasparenti. L’idea sottesa è quella di utilizzare le celle come un normale vetro per finestre. Gli ossidi metallici vengono applicati in strati sottilissimi su un substrato trasparente. A differenza delle celle solari convenzionali, tuttavia, queste celle trasparenti convertono in energia solo la radiazione ultravioletta.

I rendimenti raggiungibili con queste tecnologie sono tuttavia ancora oggi molto bassi. Secondo Christophe Ballif, queste celle solari sono più adatte per applicazioni di nicchia. «Se si vuole realizzare una facciata solare trasparente, di solito lo si fa riempiendo lo spazio tra le celle solari in silicio con del vetro per finestre», spiega il ricercatore.

Ottimizzazione delle celle solari esistenti

La ricerca non si limita solo a nuovi concetti, ma anche all’ottimizzazione di quelli esistenti. Ad esempio, si sta cercando di ridurre ulteriormente i costi di produzione. Un modo per farlo è sostituire l’argento, finora utilizzato per la raccolta e la conduzione degli elettroni nel processo di conversione dell’energia solare in energia elettrica, che attualmente rappresenta circa il 7-10% dei costi per la realizzazione dei moduli fotovoltaici. «Al CSEM di Neuchâtel abbiamo sviluppato celle solari che utilizzano il rame al posto dell’argento», spiega Ballif. «Se in futuro il prezzo dell’argento dovesse aumentare, questa sarebbe un’alternativa per mantenere bassi i costi».

Un altro obiettivo della ricerca è l’affidabilità delle celle solari. Nel corso della loro vita utile di circa 25 anni, i moduli fotovoltaici sono esposti a vento, intemperie e a diverse temperature. «Ci sono quindi molti meccanismi diversi che possono innescare una perdita di prestazioni nelle celle solari», spiega Ballif. «Questi fattori scatenanti devono essere compresi e quanto più possibile soppressi, affinché i moduli possano raggiungere un elevato livello di affidabilità».

Meno risorse, riciclo migliore

E l’ecobilancio? Dopo tutto, il fotovoltaico dovrebbe dare un contributo significativo all’approvvigionamento energetico ecologico del futuro. Secondo Ballif, i moduli fotovoltaici di oggi sono già abbastanza sostenibili. «Grazie ai progressi compiuti dalla tecnica, è aumentato il rendimento, mentre si sono ridotti il fabbisogno di silicio e l’energia necessaria per la pulizia preliminare del silicio». Un ulteriore miglioramento del bilancio ecologico è possibile se si riesce a ridurre ulteriormente il fabbisogno di materiali e ad aumentarne l’efficienza. «Tuttavia, è particolarmente importante che per la produzione dei moduli e dei loro componenti venga utilizzata energia elettrica senza emissioni di carbonio», sottolinea Ballif. Il bilancio energetico degli impianti fotovoltaici è già oggi molto buono: in Svizzera, l’energia utilizzata per la produzione viene recuperata entro un anno. 

Con l’aumento del numero di moduli venduti, in futuro sarà ancora più importante riciclare in modo completo i moduli solari dismessi. Oggi questo mercato è ancora piccolo perché la maggior parte dei moduli installati sono solo all’inizio del loro ciclo di vita. Tuttavia, è probabile che la situazione cambi rapidamente nei prossimi anni.