energia un futuro solare

["ANDREA AGOSTINI" <lonanoda at tin.it>]

UN FUTURO SOLARE
di Guido Agostinelli*, Maurizio Acciarri** e Francesca Ferrazza***

Il mercato dell’energia solare è in rapida
crescita. Relegato ad applicazioni di nicchia
fino alla metà degli anni ‘90, il settore
sta vivendo da allora un vero e proprio
boom. Questo fenomeno si deve
sostanzialmente a due fattori: una curva
di apprendimento molto rapida, che
porta a un continuo abbattimento dei
costi e una intelligente politica di incentivi
economici in paesi come Germania e
Giappone. Se tutto proseguisse secondo
lo scenario tendenziale, nel giro di 4-5
anni in Sud Europa dovrebbe diventare
più conveniente installare dei moduli sul
tetto che comperare elettricità dal gestore
e lo stesso si verificherebbe in Nord
Europa intorno al 2015 . La recente crisi
nell’approvvigionamento della materia
prima (feedstock) sta mettendo in discussione
questo scenario e porta di nuovo
alla ribalta una questione che esiste da
anni: quale sia la capacità effettiva di
riduzione dei costi dei moduli in silicio cristallino
e se esistano tecnologie che siano
in grado, nel corto,
medio o lungo
termine, di porta
re il costo dell’energia fotovoltaica a competere
con i costi della generazione di
potenza.

Un’idea molto radicata è quella che si
debba passare ai film sottili il più presto
possibile, ma inizia a farsi strada l’idea che
le cosiddette celle di prima generazione
abbiano ampi margini di riduzione dei
costi. I sussidi hanno, infatti, creato un
ciclo virtuoso che ha portato a continui
miglioramenti nell’efficienza dei moduli
cristallini e a un abbattimento dei costi. I
progressi migliori sono stati registrati
nella riduzione del contenuto in silicio per
cella che conta per oltre il 40% del costo
di un modulo. Se ci sono voluti più di 25
anni
perchè i wafer passassero da 400 a
330 μm di spessore, negli ultimi cinque
siamo scesi a 220 μm e dovremmo arrivare
a 100 μm, in produzione, tra il 2010 e il
2015.
 
Molto è cambiato anche dal lato della
purificazione del materiale. Il silicio per le
celle veniva inizialmente prodotto con
wafer costosi, destinati alla microelettronica
o provenienti dalle sue eccedenze.
Oggi il volume di mercato è tale da giustificare
investimenti da parte di colossi
come Wacker o Hemlock, direttamente
nel silicio per celle solari. Ciò dovrebbe
portare i costi a circa la metà di quelli correnti.
Secondo i produttori il potenziale di
riduzione è maggiore, ma questo rimane
da dimostrare. È certo, invece, che il volume
degli investimenti è tale da portare
nel breve periodo (2008-2010) al superamento
della crisi nell’approvvigionamento
del feedstock, ma potrebbe essere
troppo tardi per i produttori che non
hanno forniture o strumenti finanziari
adeguati per reagire all’impennata dei
prezzi del silicio in corso. Contestualmente
i prezzi dei sistemi Fv dovrebbero rimanere
stabili per i prossimi 3-4 anni, per poi
scendere rapidamente.

Meno energia
In seguito alla riduzione del contenuto
di silicio, si è sensibilmente ridotto anche
l’input energetico di un sistema fotovoltaico.
A oggi, sono necesssari tra 1,5 e 4
anni di operazione per restituire l’energia
che è stata necessaria a produrlo, a seconda
della latitudine e del tipo di modulo.
Anche l’efficienza di conversione è
aumentata. La giapponese Sanyo e l’americana
Sunpower, per esempio, producono
celle con un’efficienza media superiore
al 20%. L’introduzione di nuove tecnologie
per la passivazione delle superfici e
la creazione di strutture a contatti locali
sta permettendo di abbandonare i vecchi
contatti in pasta di alluminio, incompatibili
con le celle molto sottili per una questione
di stress meccanico e di realizzare
celle su wafer sempre meno costosi. In
sostanza tutti quelli che erano ritenuti
limiti invalicabili per le celle industriali in
silicio cristallino oggi sono superati, e non
è più un azzardo prevedere la produzione
in larga scala di celle spesse qualche decina
di micron nel giro di 5-10 anni, con un
costo sensibilmente inferiore a 1€/Wp.
Anche sul fronte delle tecnologie a
film sottile vi sono stati progressi significativi.
Per chiarezza, conviene fare una
divisione tra le tecnologie a film sottile
più o meno mature, come quelle a silicio
amorfo, a silicio nano e microcristallino, a
composti II-VI e a calcogenidi, e le cosiddette
celle organiche (termine che viene
spesso utilizzato tanto per descrivere le
celle polimeriche o plastiche, quanto
quelle fotoelettrochimiche, che in realtà
possono avere applicazioni ben oltre la
produzione di energia elettrica). Le celle
organiche hanno un vantaggio rispetto a
tutte le altre tecnologie: si possono produrre
in maniera estremamente semplice
e con materiali plastici poco costosi. Non
hanno bisogno di essere fabbricate in
ambienti particolarmente puliti, sono
semitrasparenti, sono flessibili, si possono
stampare su una grande varietà di superfici
o tessuti. Purtroppo, per il momento
queste celle hanno un’efficienza bassa,
sono difficilmente realizzabili su superfici
estese per applicazioni di tipo commerciale
e soprattutto non sono stabili. Sono
sensibli all’aria, all’umidità e alla luce stessa
che le degrada. La ricerca sulle celle
organiche deve fare alcuni balzi in avanti
prima che si possa pensare alle applicazioni
commerciali. È difficile dire se ciò sarà
tra 5-10 anni, o piuttosto tra 40 e non a
caso alcuni inseriscono le celle organiche
tra le tecnologie di terza generazione.
Quando succederà, questi dispositivi
potrebbero veramente cambiare faccia al
fotovoltaico.

Le altre tecnologie a film sottile sono
nate in contemporanea alle celle in silicio
(se non prima, come le celle II-VI), ma vengono
spesso definite di seconda generazione
perchè pur essendo oggi meno del
4% della produzione globale, potrebbero
conquistare una larga quota di mercato
nel medio termine. Sebbene di una qualità
elettrica nettamente inferiore a quella
dei cristalli, questi semiconduttori possono
essere depositati direttamente su
vetro, o altri tipi di supporto, in strati
spessi solo qualche micron, comunque
sufficienti per produrre una cella solare, a
un costo inferiore a quello delle celle su
wafer. I materiali che sono in sviluppo già
dagli anni ‘70 sono il silicio amorfo, il telluro
di cadmio, la famiglia dei calcogenidi
(composti di rame, indio, selenio, gallio,
zolfo). A partire dalla fine degli anni ’90
sono apparsi importanti filoni di ricerca
legati al silicio nano e microcristallino. Le
efficienze massime dimostrate in laboratorio
variano da circa il 10% per il silicio
amorfo, a poco meno del 20% per il CIGS
(un calcogenide). I moduli commerciali
possono avere efficienze che variano tra il
6% e il 12% circa.

Il costo di queste tecnologie può
potenzialmente scendere al di sotto dei
50 centesimi di euro per Watt di picco.
Perchè ciò succeda i moduli a film sottile
devono riuscire a soddisfare almeno una
di queste due condizioni: o raggiungono
efficienze stabili intorno al 12-14%,
oppure devono essere prodotti in una
scala commerciale comparabile a quella
delle celle in silicio cristallino, con quasi
due ordini di grandezza superiore rispetto
alla produzione odierna.

In coppia
Un terzo filone di ricerca alternativo al
silicio cristallino è quello dei concetti
avanzati di terza generazione, che permettono
di superare il limite fisico per le
celle a singola giunzione (31%). È il caso
delle celle tandem, o a giunzione multipla.
Le prime celle
tandem sono state
prodotte a metà
degli anni ’80, per applicazioni spaziali.
Recentemente, lo sviluppo dei sistemi a
concentrazione ha reso interessante l’utilizzo
di celle a giunzione multipla per
applicazioni terrestri.
Nei sistemi a concentrazione la luce
viene convogliata da una grande superficie
di lenti o specchi su celle che arrivano
a essere centinaia di volte più piccole
delle loro controparti di prima generazione,
il che permetterebbe, anche utilizzando
tecnologie dispendiose come quelle
per la produzione di celle a tripla giunzione,
di portare i costi al di sotto dei 50 centesimi
di euro per Watt di picco. L’americana
Spectrolab ha dimostrato di potere
raggiungere il 39% di efficienza di conversione
con questo tipo di tecnologia. Il
problema è garantire l’affidabilità sul
campo dei sistemi a concentrazione. Ci si
può aspettare che i sistemi a concentrazione
inizino a conquistare una significativa
quota di mercato già nei prossimi 5-
10 anni.

Altri dispositivi classificati di terza
generazione sono in una fase di sviluppo
preliminare, ma alcuni di questi presentano
la possibiltà pratica di sfondare la barriera
del 60% di efficienza. Uno dei più
interessanti è quello delle celle a banda
metallica intermedia. Questo concetto è
stato proposto per la prima volta nel
1997, inizialmente come uno studio teorico,
su un materiale ancora inesistente. Gli
spagnoli Luque e Martì dimostrarono che
se fosse stato possibile creare un semiconduttore
con un largo bandgap all’interno
del quale fosse presente una banda
metallica, questo avrebbe potuto funzionare
molto più efficacemente delle strutture
a giunzione multipla per la conversione
di energia. Dai primi anni 2000 a
oggi sono già state sintetizzate diverse
classi di materiali fotovoltaici dotati di
una banda intermedia, e nell’agosto 2005
un consorzio di spagnoli ha prodotto la
prima cella che mostra inequivocabilmente
l’operazione della banda intermedia. È
bene chiarire che l’incremento nell’efficienza
in questo esperimento, che pure
ha un valore fondamentale, è per il
momento limitato a qualche punto percentuale
e che le celle a banda intermedia
non saranno sul mercato prima di una
ventina di anni.

In conclusione, oggi oltre il 95% del
mercato è composto da celle in silicio
mono e multicristallino. La crisi del feedstock
comporterà un rallentamento
nella progressione della
riduzione dei costi nel periodo
2006-2010, avrà sicuramente un
impatto negativo su piccoli produttori,
ma non dovrebbe avere effetti
pesanti sul mercato Fv nel suo complesso.
Si può prevedere una sempre maggiore
penetrazione delle tecnologie a film sottile,
e di quelle a concentrazione. Ma anche
nell’improbabile ipotesi che queste crescessero
a un ritmo doppio di quelle di
prima generazione, ci vorrebbero comunque
almeno quindici anni prima che il loro
volume di produzione diventi significativo.
Le celle organiche, così come i concetti
più innovativi di terza generazione,
potrebbero effettivamente rivoluzionare
la produzione di energia solare e le sue
applicazioni, ma se questo succederà sarà
solo quando l’energia fotovoltaica sarà già
ampiamente diffusa. Tanto nell’ambito
della ricerca e sviluppo, quanto in quello
industriale, c’è un generale consenso sul
fatto che il mercato delle applicazioni di
potenza sarà sicuramente dominato ancora
per diversi anni dalle fette di silicio.

*IMEC vzw, Leuven, Belgio (email:
guido.agostinelli at imec.be)
**Universita’ Milano Bicocca, Dipartimento
di Scienza
dei Materiali
***EniTecnologie