Tipologie di impianto fotovoltaico

Moduli in silicio cristallino e in film sottile

Generalità sugli impianti fotovoltaici

Un impianto fotovoltaico è costituito da pennelli fotovoltaici in grado di convertire l’energia solare in energia elettrica mediante effetto fotovoltaico. Il pannello fotovoltaico è esteticamente simile al pannello solare termico (entrambi indicati semplicemente con il nome generico di “pannello solare”), ma pur sfruttando entrambi l’energia solare (radiazione solare) come fonte di energia primaria, lo  fanno in modalità e con scopi differenti.

Differenza tra pannello fotovoltaico e pannello solare termico

L’impianto solare termico (collettore solare), infatti non produce energia elettrica come il fotovoltaico, ma converte la radiazione solare in energia termica, trasferendola verso un accumulatore termico per un uso successivo, quali la produzione di acqua calda (sanitaria o di processo), riscaldamento degli ambienti, ecc.

Tipologia di pannello fotovoltaico più comune

Considerando le tipologie di impianto fotovoltaico, il mercato è oggi dominato dalla tecnologia al silicio cristallino, che rappresenta circa il 90% del mercato. Tale tecnologia è matura sia in termini di rendimento ottenibile che di costi di produzione e si ritiene che continuerà a dominare il mercato nel breve-medio periodo.

Moduli in silicio cristallino

I moduli in silicio cristallino sono attualmente i più utilizzati negli impianti installati e si suddividono in tre categorie:

  • Fotovoltaico monocristallino

Omogeneo a cristallo singolo, prodotto da cristallo di silicio di elevata purezza. Il lingotto di silicio monocristallino è di forma cilindrica del diametro di 13-20 cm e 200 cm di lunghezza, ottenuto per accrescimento di un cristallo filiforme in lenta rotazione. Successivamente, tale cilindro viene opportunamente suddiviso in wafer dello spessore di 200-250 μm e la superficie superiore viene trattata producendo dei microsolchi aventi lo scopo di minimizzare la perdite per riflessione.

Il vantaggio principale di queste celle è l’efficienza (16-16,5%, mentre 20-22% per i moduli ad alte prestazioni), cui si associa una durata elevata ed il mantenimento delle caratteristiche nel tempo.

Il prezzo di tali moduli è intorno a 0.70 €/W ed i moduli realizzati con tale tecnologia sono caratterizzati usualmente da un’omogenea colorazione blu scuro.

  • Fotovoltaico policristallino

Pannello in cui i cristalli che compongono le celle si aggregano tra loro con forma ed orientamenti diversi.

Alcuni costruttori garantiscono il modulo per 20 anni con una perdita di efficienza massima del 10% rispetto al valore nominale. Il colore blu scuro è dovuto al rivestimento antiriflettente di ossido di titanio, atto a favorire la captazione della radiazione solare. Le iridescenze tipiche delle celle in silicio policristallino sono infatti dovute al diverso orientamento dei cristalli ed il conseguente diverso comportamento nei confronti della luce. Il lingotto di silicio policristallino è ottenuto mediante un processo di fusione e colato in un contenitore a forma di parallelepipedo.

I wafers che si ottengono presentano forma squadrata e caratteristiche striature con spessore di 180-300 μm. L’efficienza è inferiore al monocristallino (15-16%, mentre 18-20% per i moduli ad alte prestazioni), ma anche il prezzo 0.67 €/W. La durata è comunque elevata (paragonabile al monocristallino) ed anche il mantenimento della prestazioni nel tempo (85% del rendimento iniziale dopo 20 anni). Le celle con tale tecnologia sono riconoscibili dall’aspetto superficiale in cui si intravedono i grani cristallini.

  • Fotovoltaico quasi-monocristallino

Presenta una struttura intermedia tra il mono e il policristallino. Il metodo per ottenere i lingotti è simile a quello di produzione del policristallino, in particolare, sul fondo del crogiuolo viene posto un cristallo di silicio monocristallino che funge da “nucleo di condensazione” da cui si formeranno cristalli di grandi dimensioni. Il raffreddamento del lingotto deve essere lento in modo da permettere che i cristalli crescano senza frammentarsi e deve avvenire nella direzione che va dal nucleo di silicio verso l’alto.

Moduli in film sottile

Le celle a film sottile sono composte da materiale semiconduttore depositato, generalmente come miscela di gas, su supporti come vetro, polimeri, alluminio che danno consistenza fisica alla miscela. Lo strato del film semiconduttore è di pochi micron, rispetto alla celle a silicio cristallino che hanno uno spessore di centinaia di micron. Pertanto il risparmio di materiale è notevole e la possibilità di avere un supporto flessibile amplifica il campo di applicazione delle celle a film sottile.

Materiali generalmente utilizzati

I moduli in film sottile possono essere realizzati in differenti materiali a seconda delle prestazioni richieste:

  • silicio amorfo (a-Si)
  • telluluro di cadmio (CdTe)
  • leghe a base di diseleniuro di indio e rame (CIS, CIGS, CIGSS)
  • arseniuro di gallio (GaAs)

Il silicio amorfo depositato in film su un supporto (es. alluminio) rappresenta l’opportunità di avere il fotovoltaico a costi ridotti rispetto al silicio cristallino, ma le celle hanno rese che tendono decisamente a peggiorare nel tempo. Il silicio amorfo può anche essere “spruzzato” su un sottile foglio in materiale plastico o flessibile. È utilizzato soprattutto quando serve ridurre al massimo il peso del modulo ed adattarsi alle superfici curve.

L’efficienza dei pannelli a film sottile

L’efficienza è piuttosto bassa (7-8%, mentre 10-11% per i moduli ad alte prestazioni) a causa delle molteplici resistenze che gli elettroni devono superare nel loro flusso, ma anche il costo unitario (0.52-0.56 €/W) è
inferiore ai moduli in silicio cristallino. Anche in tal caso le celle tendono a peggiorare le proprie prestazioni nel tempo.

Un’interessante applicazione di tale tecnologia è quella tandem (celle in silicio micromorfo), che combina uno strato di silicio amorfo con uno o più strati di silicio cristallino in multigiunzione; grazie alla separazione dello spettro solare, ogni giunzione posizionata in sequenza lavora in maniera ottimale e garantisce livelli superiori in termini sia di efficienza che di garanzia di durata.

Le efficienze raggiunte sono interessanti: circa 11.6% in laboratorio e 9% per applicazioni commerciali. Nella produzione su larga scala dei moduli in telluluro di cadmio si presenta il problema ambientale del composto CdTe contenuto nella cella, il quale, non essendo solubile in acqua e più stabile di altri composti contenenti cadmio, può diventare un problema se non correttamente riciclato o utilizzato (figura 1.19). Le celle CdTeS hanno un’efficienza maggiore rispetto a quelle in silicio amorfo (12.4-13.4%, mentre 12.7-14.2% per i moduli ad alte prestazioni) ed anche un costo unitario leggermente superiore (0.58-0.60 €/W).

Pannelli in leghe speciali

Nei moduli CIS/CIGS/CIGSS sono di tecnologia ancora in fase di studio e sviluppo, in sostituzione del silicio, vengono impiegate speciali leghe quali:

  • (CIS) rame, indio e selenite
  • (CIGS) rame, indio, gallio e selenite
  • (CIGSS) rame, indio, gallio, selenite e zolfo

L’efficienza è del 14.1-14.6% (15% per i moduli ad alte prestazioni) e le prestazioni rimangono stabili nel tempo; come per il silicio cristallino si prevede una riduzione del costo unitario che per ora è di circa 0.65 €/W.

La tecnologia GaAs

La tecnologia GaAs è attualmente la più interessante dal punto di vista dell’efficienza ottenuta, superiore al 25- 30%, ma la produzione di tali celle è limitata dagli elevati costi e dalla scarsità del materiale, utilizzato in prevalenza nell’industria dei “semiconduttori ad alta velocità di commutazione” e dell’optoelettronica. Infatti la tecnologia GaAs viene utilizzata principalmente per applicazioni spaziali, dove sono importanti pesi e dimensioni ridotte.

Diffusione e quota di mercato

La quota di mercato delle tecnologie a film sottile è molto contenuta, ma tali tecnologie vengono considerate come la soluzione con le maggiori potenzialità nel medio-lungo termine, anche per una significativa riduzione dei prezzi. Depositando il film sottile direttamente su larga scala, fino a oltre 5 m2, si evitano gli sfridi di lavorazione tipici dell’operazione di taglio dei wafers di silicio cristallino dal lingotto di partenza.

Secondo alcuni studi di settore entro il 2020, la quota di mercato di film sottile potrebbe raggiungere il 30-40%. Le tecniche di deposizione sono a basso consumo di energia e quindi il relativo tempo di payback è breve, ossia quanto tempo deve operare un impianto fotovoltaico per produrre l’energia impiegata per fabbricarlo (circa 1 anno per i film sottili in silicio amorfo, contro i 2 del silicio cristallino).

Rispetto ai moduli in silicio cristallino, i moduli a film sottile hanno una minore dipendenza dell’efficienza dalla temperatura di funzionamento ed una migliore risposta anche quando la componente di luce diffusa è più marcata e quando sono bassi i livelli di irraggiamento, specie nelle giornate nuvolose.

Implementazione dell’efficienza dei pannelli

Per parte delle tipologie di impianto fotovoltaico disponibili, sono previsti miglioramenti contenuti in termini di efficienza ed una possibile riduzione dei costi legata all’introduzione nei processi industriali di wafer più grandi e sottili e all’economia di scala. In particolare, con la tecnica selective emitter si può incrementare l’efficienza fino allo 0.8% mediante un aumento della concentrazione dell’elemento drogante (fosforo) nella zona sottostante ai contatti metallici allo scopo di diminuire la resistenza in tale area, senza tuttavia aumentare le dimensioni del contatto metallico.

Tale tecnica permette quindi di ridurre la resistenza dei contatti sopra la cella senza diminuire la superficie di captazione della radiazione solare e pertanto senza peggiorarne la resa ottica. Inoltre l’industria fotovoltaica basata su tale tecnologia utilizza il surplus di silicio destinato all’industria elettronica ma, a causa del costante sviluppo di quest’ultima e della crescita esponenziale della produzione fotovoltaica negli ultimi anni, diviene spesso difficoltosa la reperibilità di materia prima sul mercato destinata al mercato
fotovoltaico.

Superbonus 110 % per i pannelli fotovoltaici

Ad oggi, i pannelli fotovoltaici rientrano tra gli interventi agevolabili con il bonus al 110% a patto però di soddisfare le richieste prestazionali con gli interventi trainanti indicati a decreto, quindi sostituzione del generatore di calore e/o coibentazione. Non risultando tra gli interventi trainanti, è vincolato agli stessi.