Focus

È stato un viaggio incredibile e non è ancora finito

Ripercorriamo lo sviluppo dei moduli fotovoltaici, dalla loro scoperta nel 19° secolo fino ai giorni nostri e oltre, esaminando l’impatto che hanno e avranno sul nostro settore

Testo di Terry Owen

Quando ho iniziato a praticare il caravanning nel 1974, la cosa più vicina a un modulo fotovoltaico era il minuscolo rettangolo presente sul mio esposimetro. L’esposimetro era qualcosa che dovevi consultare sulla tua fotocamera “professionale” prima di scattare una foto. Fortunatamente, le fotocamere Kodak Brownie dell’epoca non avevano mai bisogno di un esposimetro. Guardando indietro, è incredibile che abbiano sempre funzionato, ma lo hanno fatto. Fast forward al 2017: camper e.home di Dethleffs. Ha fatto scalpore quando è apparso con ogni centimetro della sua superficie esterna ricoperto di celle solari. Certo, si trattava solo di un concept, ma indicava, e continua a indicare, la strada per il futuro.

Sotto: Dethleffs-e.home

I primi tempi

La storia dell’energia fotovoltaica inizia con un giovane fisico, Edmond Becquerel, che lavora in Francia e nel 1839 scopre il cosiddetto ”effetto fotovoltaico”. Si tratta di un processo che produce una tensione elettrica in un materiale quando questo viene esposto alla luce. Il dispositivo di Becquerel utilizza cloruro d’argento o bromuro d’argento su elettrodi di platino. Per molti anni l’effetto rimase una curiosità di laboratorio, ma nel 1883 Charles Fritts costruì la prima cella fotovoltaica a stato solido rivestendo il semiconduttore di selenio con un sottile strato d’oro per formare le giunzioni. È stato un grande passo avanti, ma il dispositivo era costoso e l’efficienza si fermava circa all’1%. Tuttavia, ha mostrato cosa si poteva fare e ha portato al primo impianto solare da tetto al mondo, installato nel 1884 su un tetto di New York City. La vera svolta iniziò nel 1946 quando un inventore americano, Russell Ohl, che lavorava per i laboratori Bell, brevettò la moderna cella solare a semiconduttore a giunzione. Basata sull’elemento silicio, divenne parte di una successione di progressi che avrebbero portato infine all’invenzione del transistor. Tuttavia, fu solo negli anni ‘50 che i Bell Labs iniziarono a utilizzare il silicio per produrre celle solari. Qui sopra, a destra, vediamo un’affascinante immagine che proviene da una pubblicità apparsa in un numero del 1956 di Look Magazine: mostrava la “Bell Solar Battery” al pubblico americano. Sembra qualcosa che potremmo portarci in campeggio ancora oggi! Ma a quel tempo l’efficienza era solo del 2% circa, con ogni cella che produceva solo un piccolo numero di milliwatt. E con un prezzo per watt che si avvicinava a 2.000 dollari, questi sistemi erano ancora molto lontano dall’essere un’opzione conveniente per il consumatore medio.

Gli anni ‘60, poi il decollo

Negli anni ‘60 decolla la corsa allo spazio e con essa l’utilizzo dei pannelli solari per alimentare i satelliti. In quegli scenari il costo passava in secondo piano rispetto a prestazioni e affidabilità: ingenti somme venivano investite nello sviluppo. Poi, con il miglioramento dell’efficienza e dei costi, l’uso dei pannelli solari è cresciuto. Tuttavia, è stato solo negli anni ‘70 che i prezzi sono scesi in modo significativo, rendendo conveniente l’utilizzo dell’energia solare in località remote. Una tendenza che ha preso rapidamente piede è stata quella delle celle solari a pellicola sottile, utilizzate in oggetti come le calcolatrici, che hanno cominciato ad apparire a partire dal 1978: utilizzavano silicio amorfo piuttosto che la forma cristallina impiegata fino a quel momento, ed erano molto più economiche da produrre, anche se un po’ meno efficienti. Nel 1985 i ricercatori dell’Università del New South Wales hanno finalmente infranto la barriera del 20% di efficienza in un altro prototipo di laboratorio. Poi, finalmente, all’inizio degli anni ‘90 i moduli fotovoltaici hanno raggiunto un livello di efficienza commerciabile. I pannelli solari portatili per il campeggio iniziarono ad apparire in questo periodo e ricordo di aver acquistato il mio primo intorno al 1995: 55 watt e un’efficienza di circa il 18%. In estate la mia caravan poteva resistere tranquillamente per oltre una settimana off-grid, senza alcun problema. Già nel 2014 i produttori di camper montavano pannelli solari come standard su alcuni dei loro modelli. Ciò si è rivelato di grande aiuto per lo stoccaggio off-grid, in particolare quando sono installati sistemi di tracciamento.

Oggi

Oggi i pannelli solari sono più economici ed efficienti che mai, e hanno rivoluzionato la produzione di energia rinnovabile insieme alla tecnologia eolica. Mentre scrivo questo articolo, in una giornata luminosa e fredda, il 13,1% dell’elettricità del Regno Unito è fornita dall’energia solare. Chi l’avrebbe mai detto, anche solo 10 anni fa? Inoltre, molti fornitori e produttori del nostro settore hanno installato pannelli fotovoltaici sui tetti dei loro capannoni e delle loro fabbriche con l’obiettivo di ridurre i costi e allo stesso tempo di diventare più ecologici. In effetti, il solare fotovoltaico ha fatto registrare nell’ultimo decennio il calo dei costi più evidente e consistente rispetto a qualsiasi tecnologia elettrica. Un rapporto dell’Agenzia Internazionale per le Energie Rinnovabili (IRENA) ha rilevato che tra il 2010 e il 2019 il costo del solare fotovoltaico è diminuito globalmente dell’82%. La tecnologia del film sottile, che utilizza il silicio amorfo, è notevolmente avanzata e ha dato un grande impulso alla produzione di pannelli flessibili. Sebbene non siano così efficienti o di lunga durata come quelli al silicio cristallino convenzionale, questi pannelli si distinguono però decisamente per il risparmio di peso e per la loro capacità di essere montati su superfici curve. Gran parte dei veicoli ricreazionali odierni è dotata di un pannello solare di serie o opzionale, in risposta alla tendenza verso il campeggio off-grid, cioè non collegato alla rete elettrica. In effetti, l’efficienza raggiunta oggi è ormai così buona che spesso i pannelli solari possono essere utilizzati per alimentare i frigoriferi a compressore quando non sono collegati alla rete. Uno dei problemi con i pannelli solari è che possono degradarsi con l’età. La luce solare fa sì che il boro e l’ossigeno nello strato di tipo N della cella si leghino insieme, producendo un difetto che può intrappolare l’elettricità e ridurre la quantità di energia generata dal pannello solare. È noto da tempo che il gallio è superiore al boro se utilizzato in questo ruolo al suo posto, ma un brevetto di 20 anni ne ha impedito l’uso fino a tempi recenti. Il brevetto è scaduto nel maggio 2020. Da allora, l’industria è passata rapidamente dal boro al gallio, al silicio trattato con drogaggio di tipo N. All’inizio del 2022, il principale produttore Hanwha Q Cells ha stimato che circa l’80% di tutti i pannelli solari prodotti nel 2021 fosse passato dal boro “drogato” al gallio, una transizione massiccia in un tempo così breve. Attualmente, i migliori pannelli solari in silicio disponibili in commercio hanno un’efficienza di circa il 24%, una cifra che difficilmente verrà superata di molto nella produzione commerciale.

Il futuro (non così lontano)

Il futuro è la volontà di migliorare ulteriormente l’efficienza e i costi. Sembra che la cella di giunzione in silicio abbia fatto abbastanza bene il suo lavoro e ora dobbiamo rivolgerci ad altri materiali per ottenere i risultati che cerchiamo. Il gallio, sotto forma di arseniuro di gallio, è superiore al silicio in termini di efficienza: le celle infatti raggiungono quasi il 30% in ambiente di laboratorio. Tuttavia, è probabile che i costi elevati continuino a limitarne l’uso alle sole applicazioni specialistiche, come per esempio i veicoli spaziali. I materiali che stanno suscitando tutto l’interesse ora sono le perovskiti. Scoperta per la prima volta negli Urali della Russia da Gustav Rose nel 1839, la perovskite prende il nome dal mineralogista russo Lev Perovski (1792–1856). La perovskite ha una struttura quasi cubica, simile a un diamante. In realtà è titanato di calcio con la formula CaTIO3. Da allora, gli scienziati hanno scoperto che possono produrre sostanze simili con la stessa struttura, ma da altre sostanze chimiche, molte delle quali sono facilmente disponibili ed economiche. Questa nuova classe di materiali è nota come “perovskite” e ha la formula generale ABX3 dove A e B agiscono come cationi e X come anione (un catione è uno ione caricato negativamente, un anione è caricato positivamente). Allora perché tutto questo entusiasmo? Le perovskiti possono produrre celle solari altamente efficienti ed economiche e con molto meno materiale rispetto a quelle a base di silicio. Questo è l’ideale per la produzione di pellicole sottili e per risparmiare peso. Inoltre, la capacità di “sintonizzare” le perovskiti utilizzando diverse sostanze nella loro composizione significa che possono essere ottimizzate per lunghezze d’onda specifiche. Ciò consente la produzione di celle tandem, o multi giunzione, che possono utilizzare una parte molto maggiore dello spettro luminoso rispetto a una cella solare convenzionale. L’efficienza di tali celle ha già raggiunto il 30% e potrebbe raggiungere il 40% o più. Fino ad ora le celle di giunzione di perovskite hanno avuto un grosso inconveniente: la stabilità, o meglio la sua mancanza. Ad oggi non è stato possibile produrre una cella con una durata di vita commercialmente valida. In effetti, è stato riscontrato che alcuni esemplari, quando vengono esposti a luce intensa e calore, durano solo poche ore. Ma un team della Princeton University, negli Stati Uniti, afferma di aver prodotto un dispositivo che è estremamente durevole pur rispettando le attuali efficienze di conversione. I dettagli sono piuttosto tecnici: comportano l’inserimento di uno speciale strato protettivo tra due degli strati all’interno della cella. Il miglior risultato fino ad oggi ha mostrato che queste celle funzionerebbero a un minimo dell’80% dell’efficienza di picco, per 5 anni continuativamente, a una temperatura media di 35°C. Il team ritiene che possa essere equivalente a circa 30 anni di attività all’aperto. Anche altri stanno lavorando sui temi dell’efficienza e della durabilità con buoni risultati. Quindi, vista la quantità di lavori in corso, sembra sia solo una questione di tempo prima che i pannelli solari a base di perovskite arrivino sul mercato. Le celle di perovskite, inoltre, eccellono rispetto al silicio nella loro capacità di convertire la parte blu dello spettro luminoso in elettricità: una cosa che le celle di silicio non possono fare. Quindi una prima applicazione di celle di perovskite potrebbe essere in tandem con celle di silicio. Nel frattempo, i costi di produzione sembrano destinati a diminuire ulteriormente, grazie al basso costo di produzione delle celle di perovskite. È quindi probabile che vedremo sempre più celle solari adornare i nostri camper sin dall’uscita dalla fabbrica. La tecnologia a film sottile così adatta alle perovskiti consentirà ai pannelli solari di essere facilmente montati (anche retrofit) su superfici curve, e integrati nel guscio del camper in modi non sempre scontati. Il camper completamente elettrico, con gran parte della sua potenza proveniente direttamente dal sole, è decisamente più vicino.

Sotto: Perovskite

Anatomia di una cella di giunzione fotovoltaica

Una cella fotovoltaica è costituita da un materiale semiconduttore (come il silicio) diviso in due strati, uno sopra l’altro. Lo strato superiore (molto sottile) è drogato (infuso) con una sostanza come il boro. Il processo noto come drogaggio di tipo “N” produce una superficie caricata negativamente, cioè un surplus di elettroni. Il secondo strato sottostante (molto più spesso) è drogato in modo opposto (tipo “P”), per produrre una carica positiva, cioè un surplus di “buchi” (Holes, cioè atomi privi di elettroni). Quando i due strati sono fusi insieme, si crea una zona di esaurimento in cui gli elettroni riempiono i buchi. Ciò crea un campo elettrico che impedisce agli elettroni nello strato di tipo N di riempire i buchi nello strato di tipo P. Quando i fotoni della luce solare colpiscono la superficie superiore, gli elettroni vengono espulsi dal semiconduttore lasciando “buchi” carichi positivamente. Una corrente elettrica fluirà se i due strati sono poi collegati.

Sotto: Anatomia di una cella di giunzione fotovoltaica