La grande corsa all’efficienza fotovoltaica

Negli ultimi anni, la tecnologia fotovoltaica ha avuto uno sviluppo importante come fonte di energia sostenibile, fornendo una delle risposte più concrete all’impatto negativo della produzione di energia, basata sui combustibili fossili, sul riscaldamento globale e sul cambiamento climatico. Dai laboratori di ricerca alle linee di produzione industriali la corsa ad alzare i livelli di efficienza delle celle fotovoltaiche risulta inarrestabile. La ricerca su nuovi materiali ed architetture prosegue su un doppio binario: aumento di efficienza e riduzione dei costi di produzione. Negli ultimi anni il tasso di crescita delle prestazioni dei dispositivi fotovoltaici ha conosciuto impennate mai viste prima come si può vedere dalla ben nota chart aggiornata continuamente dall’istituto governativo statunitense NREL.

Questa tabella si riferisce alle efficienze delle celle di laboratorio o linee pilota (credits: https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html).

La figura mostra le efficienze per diverse tecnologie fotovoltaiche. Le multigiunzione (che assorbono in ogni strato del dispositivo lo spettro della luce solare a diverse frequenze sommandone poi i diversi contributi) arrivano ad oltre il 40%; sono celle destinate principalmente ad applicazioni spaziali risultando in costi elevati di produzione attualmente di difficile applicazione su impianti “terrestri”.

La tecnologia basata sul silicio cristallino (che rappresenta oltre il 90% del mercato mondiale) si stà avvicinando velocemente al suo limite teorico del 28%. La tecnologia dei cosiddetti film sottili dove un sottile strato di materiale attivo viene depositato su un substrato, generalmente vetro o plastica; questa tecnologia ha avuto un grande successo all’inizio del secolo per contrastare gli alti costi del silicio ma attualmente, dato che il prezzo del silicio è sceso di un ordine di grandezza, sembra segnare il passo in termini di crescita di efficienza rispetto alla tecnologia cristallina in silicio. A mio avviso, nel prossimo futuro, potranno avere un ruolo importante nella integrazione architettonica oppure in applicazioni agrivoltaiche.

Una particolare menzione meritano le cosiddette tecnologie “Emerging PV” dove vengono impiegati materiali organici polimerici ed inorganici che promettono una vasta duttilità di impiego (si possono stampare direttamente su un substrato) ed un costo molto basso. Al momento le loro limitazioni rivestono l’ambito della durabilità e dell’efficienza. Tra le tecnologie emergenti un ruolo sempre più importante stà acquisendo un nuovo materiale, la cosiddetta perovskite. La perovskite è un minerale di biossido di titanio di calcio, dotato di una struttura cristallina molto particolare e complessa che consente una maggiore capacità di assorbire la luce; per il futuro promette alta efficienza e basso costo di produzione dopo aver superato gli attuali problemi legati alla stabilità del materiale. Attualmente ha un grande successo come materiale da accoppiare ad una cella in silicio cristallino in configurazione monolitica o a quattro terminali assorbendo la radiazione solare ad alta frequenza e lasciando al silicio l’assorbimento dell’infrarosso. L’obiettivo è arrivare ad efficienze di oltre il 30% a costi competitivi per lo sviluppo industriale.

L’ENEA, in collaborazione con CNR ed RSE, all’interno del programma “Ricerca di Sistema elettrico – Progetto integrato Fotovoltaico ad alta efficienza”, sta lavorando su celle solari ad alta efficienza con materiali, architetture e processi innovativi per moduli fotovoltaici sostenibili, affidabili ed efficienti con l’obiettivo di ridurre il costo dell’energia elettrica e il consumo di suolo. In particolare, ENEA sta lavorando nei Centri ricerche di Portici (Napoli) e Casaccia (Roma), in collaborazione con l’Università degli Studi di Roma Tor Vergata, allo sviluppo della nuova generazione di celle solari con la tecnologia di accoppiamento perovskite/silicio, in grado di raggiungere efficienze maggiori del 28%. La cella in silicio è fabbricata in configurazione bifacciale con tecnologia ad eterogiunzione.

Il pacchetto sul cambiamento climatico della UE “Fit for 55” prevede che l’Italia raggiunga 64 GW di potenza fotovoltaica installata al 2030, rispetto ai 25 GW del 2022, generando una quantità di energia elettrica annua pari a 88 TWh, contro i 27,5 TWh del 2022. Per raggiungere tali obiettivi, lo sviluppo dell’alta efficienza della tecnologia fotovoltaica rappresenta la pietra angolare per la decarbonizzazione del sistema elettrico e contestualmente raggiungere i piani fissati per il contenimento dei limiti sul riscaldamento climatico e l’attuazione dei piani comunitari.

Di pari passo alla corsa all’alta efficienza dovrà attuarsi la creazione di una nuova filiera italiana del fotovoltaico che sia in grado recepire l’innovazione e trovare strade allo sfruttamento industriale per penetrare il mercato, La filiera dovrebbe coinvolgere anche il sistema di finanziamento bancario nazionale e linee di investimenti finanziari gestite da fondi; questo sì che ci renderebbe non del tutto dipendenti dal mercato asiatico come avviene oggigiorno.

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