La corsa della comunità scientifica del solare al nuovo record di efficienza

Il 2022 è stato un anno fantastico! È stato l’anno in cui l’industria fotovoltaica ha raggiunto un terawatt (TW) di installazioni fotovoltaiche cumulate a livello globale e in cui la prima cella solare tandem ha raggiunto un’efficienza di conversione superiore al 30% combinando silicio e perovskite. Molti hanno definito questo 30% la barriera psicologica della tecnologia: una sorta di iniziazione per la perovskite come tecnologia emergente.

La perovskite è un nuovo materiale che ha rapidamente conquistato il mondo del fotovoltaico, un mondo che è spesso molto riluttante a lasciarsi impressionare da innovazioni rivoluzionarie. Tuttavia, le celle solari di perovskite, a causa della loro semplicità di processo e delle loro proprietà uniche, sono state ampiamente studiate nei laboratori accademici e industriali. Migliaia di ricercatori in tutto il mondo hanno iniziato a migliorare le proprie conoscenze e raggiungere nuovi record di efficienza con questo nuovo materiale. A soli dieci anni dalla sua introduzione nel fotovoltaico, è stato raggiunto un record di laboratorio del 25% con un dispositivo a singola giunzione.

Superare il limite di efficienza di ogni singola tecnologia di cella mantenendo il potenziale a basso costo è il principale vuoto che la comunità fotovoltaica vuole colmare. Questo è stato finora possibile solo nel caso in cui, invece di un unico materiale, vengono utilizzati due materiali per la conversione della luce in elettricità. Il silicio e la perovskite sono in questo senso i principali candidati. Il silicio è l’attuale materiale su scala TW per la transizione energetica e la perovskite potrebbe diventarlo grazie alle sue proprietà sintonizzabili e al suo potenziale a basso costo. La combinazione rappresenta una possibilità per raggiungere un’efficienza superiore al 30% in uno scenario di produzione commerciale a basso costo. Con questi due

materiali disponibili, la comunità ha assistito a una corsa per abbattere il limite di efficienza delle cosiddette celle tandem: “la corsa al 30%”!

Nel 2022, non una ma più volte la barriera del 30% è stata abbattuta combinando questi materiali. Prima dai ricercatori svizzeri del CSEM/EPFL, poi dal gruppo belga-olandese TNO, TU-Eindhoven, imec e TU-Delft in Solliance, e infine dall’istituto tedesco Helmholtz-Zentrum Berlin, che ha dimostrato un’efficienza di conversione superiore al 32%. Lo scorso aprile, inoltre, il limite è stato superato, con il 33,2% dai ricercatori del centro saudita KAUST.

Grafico “Best research cell efficiencies” per una selezione di tecnologie fotovoltaiche emergenti (dati NREL, Golden, CO).

La comunità fotovoltaica aveva già abbattuto la soglia del 30% ma con costosissime celle basate su semiconduttori III-V, sviluppate principalmente per applicazioni spaziali. Con le celle tandem in silicio e perovskite, invece, è la prima volta che questa efficienza viene raggiunta con materiali dal potenziale basso costo.

Precedenti corse fotovoltaiche

È stata questa la prima “corsa” nella comunità fotovoltaica? Assolutamente no. Osservando il grafico delle efficienze più alte al mondo dell’istituto statunitense NREL, si evince che fenomeni simili si sono sviluppati intorno a traguardi di efficienza del 20% e del 25%. Come riconoscere questi periodi? Si noti l’aumento delle efficienze dei record di cella appena prima del raggiungimento dell’obiettivo.

Adattatamento del grafico “Best research cell efficiencies“. Sono evidenziati i periodi di sforzi estremi (cerchi rossi) quando inizia la corsa e periodi più tranquilli (linee di freccia rosse) che portano a una nuova corsa.

Negli ultimi anni stiamo assistendo alla corsa “finale”, che ha l’obiettivo di raggiungere la massima efficienza per una cella solare in silicio monomateriale, arrivando al limite teorico di circa il 29%. Lo scopo in questo caso sarebbe quello di ottenere il record

finale e più alto. L’ultimo record di efficienza è detenuto da Longi al 26,8% e molte aziende hanno annunciato di volerlo superarlo a breve.

Vita dopo la “corsa”

Storicamente, dopo aver raggiunto un record importante, c’è un periodo in cui lo sviluppo sembra rallentare. Dopo la corsa del 20%, c’è stato un periodo di 10 anni in cui non è stato raggiunto alcun nuovo record. Allo stesso modo, c’è stato un intervallo di 20 anni dopo il raggiungimento della soglia del 25%.

Cosa accade, dunque, nella comunità fotovoltaica tra ogni record principale? Per capirlo, è necessario guardare non solo al grafico dell’efficienza dei record di laboratorio, ma anche alle tendenze di produzione e installazione. La maggior parte di questi record viene raggiunta su piccole aree, in contesti di ricerca. Il passaggio successivo prevede il ridimensionamento su larga area attraverso innovazioni per semplificare il processo e la producibilità e, infine, portarlo alla produzione di massa. Ciò richiede gli sforzi del mondo accademico, degli istituti di ricerca e delle imprese. Solo per fare un esempio, circa 12-15 anni fa, i ricercatori si stavano concentrando sullo sviluppo di un nuovo concetto di cella a base di silicio di tipo n. Quindi, la regola empirica era che una nuova architettura della cella non venisse nemmeno presa in considerazione fino a quando la sua efficienza non fosse superiore al 20% su un’area di wafer da 6 pollici (a quel tempo, il record di laboratorio era del 25%). Quindi, dopo un periodo di corsa, la ricerca si concentra sulla riduzione del divario tra ciò che è stato ottenuto in laboratorio e l’efficienza delle celle prodotte in serie.

Se la storia si ripeterà, a partire già da quest’anno, maggiori risorse saranno concentrate sull’industrializzazione di celle e moduli tandem in perovskite/silicio. Ci sono quattro sfide principali per realizzare questi dispositivi tandem a livello commerciale. In primo luogo, la combinazione di materiali con le prestazioni più elevate deve essere scalata fino a dimensioni rilevanti per il settore (oltre 100 cm2). In secondo luogo, l’affidabilità di un dispositivo con tale larga area deve essere dimostrata in reali condizioni esterne. In terzo luogo, tutte le potenziali tecnologie

necessitano di un’analisi tecnico-economica dettagliata dei costi/benefici e della fattibilità di produzione e (si spera) di un’analisi dell’intero ciclo di vita. Ciò include la disponibilità dei materiali e nuovi strumenti per la deposizione di perovskite e i vari strati di trasporto che formano celle. Infine, la produzione su larga scala – con strumenti ad alta produttività e materiali abbondanti – di celle e moduli tandem affidabili, a basso costo e completamente integrati deve essere dimostrata affinché la tecnologia sia bancabile. Solo allora la corsa del 30% avrebbe completato il ciclo.

Certo, per la comunità scientifica, dopo un nuovo record c’è sempre un’altra soglia da abbattere. E per i dispositivi tandem, stiamo assistendo a un rapido aumento del rendimento, tipico della fase di sviluppo iniziale di una nuova tecnologia con un potenziale incredibile. Quanto tempo ci vorrà perché la comunità fotovoltaica raggiunga il 35%?

Gianluca Coletti è Adjunct Professor presso l’Università del New South Wales di Sydney e Program Manager Tandem Photovoltaic Technology and Applications presso l’Organizzazione olandese per la ricerca scientifica applicata (TNO), la quale sta attualmente cercando di portare sul mercato una tecnologia tandem a due terminali (2T) nell’ambito di un progetto di ricerca quadriennale denominato FIT4Market.

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