Moduli solari: tecnologia delle celle solari PERC vs. TOPCon

Sebbene la prima cella solare sviluppata negli USA nel 1954 fosse di tipo N, negli anni successivi divenne popolare la cella di tipo P. Il motivo è che inizialmente i moduli venivano utilizzati soprattutto nei viaggi spaziali, dove si dimostravano più resistenti. Solo negli ultimi anni i produttori di celle solari hanno iniziato a ripensare il loro approccio, grazie alle maggiori prestazioni delle celle di tipo N. La ragione principale di ciò è la maggiore durata di vita di queste cellule perché, a differenza del tipo P, non sono minacciate dal “difetto boro-ossigeno”. Ciò porta ad una riduzione dell’efficienza all’aumentare del tempo di funzionamento. Inoltre, le celle solari di tipo N sono meno suscettibili alla contaminazione metallica del silicio.

Nella tecnologia fotovoltaica, anche le più piccole discrepanze nella composizione chimica sono responsabili di grandi differenze nell’efficienza e nella distribuzione economica. Ciò può essere visto, ad esempio, confrontando le celle solari di tipo P e di tipo N. Entrambi differiscono in termini di struttura cellulare, con le celle solari di tipo P basate sul fatto di essere costruite su una base di silicio caricata positivamente. Al contrario, le celle solari di tipo N sono progettate al contrario, perché il lato drogato negativamente funge da base della cella solare.

Tuttavia, le celle solari di tipo N sono attualmente più costose da produrre, a causa dell’attenzione decennale sulle celle di tipo P. La loro produzione ha portato ad economie di scala nella catena del valore, che devono prima essere realizzate nella produzione di tipo N. Inoltre, nella produzione dei moduli solari di tipo N sono necessari ulteriori passaggi, il che aumenta ulteriormente i costi. Tuttavia, a causa della loro maggiore efficienza, la quota del tipo N è in continuo aumento e sarà solo questione di tempo prima che sostituisca il tipo P come tecnologia dominante delle celle solari.

Una rivalità comparabile tra due tipi di celle può essere vista confrontando le tecnologie delle celle solari PERC (Passivated Emitter and Rear Cell) e TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact), che hanno recentemente suscitato scalpore.

I moduli PERC aumentano l'efficienza dei moduli fotovoltaici perché convertono meglio la luce incidente in energia. Lo fanno riflettendo nella cellula la parte della luce che raggiunge la parte posteriore della cellula. Ciò è reso possibile da uno strato applicato sul retro del modulo, la cosiddetta passivazione posteriore. L'aumento di efficienza delle celle PERC rispetto ai moduli convenzionali è dell'1%, il che a sua volta aiuta a ridurre i costi di produzione per kWp guadagnato.

Per ottenere la massima efficienza possibile, nelle celle PERC vengono utilizzati principalmente monowafer. Negli ultimi anni il tipo di cella solare ha subito un ulteriore sviluppo massiccio. L'aumento dell'efficienza ha portato a sostituire quasi completamente le tradizionali celle Al BSF nel settore degli impianti fotovoltaici professionali. Le cellule PERC sono tutt’altro che nuove, poiché il loro principio è stato menzionato per la prima volta nel 1983 dall’Università australiana del New South Wales. Tuttavia, solo i processi di produzione costantemente migliorati hanno consentito di sfruttare appieno il valore della tecnologia per la produzione di massa.

Tuttavia, la tecnologia PERC non è priva di problemi. Ciò le rende più sensibili alla degradazione indotta dalla luce rispetto alle celle convenzionali. Questo effetto LID fa sì che le celle solari perdano potenza dopo il loro primo contatto con la luce. Anche il rischio di degrado indotto dal potenziale è maggiore. Il difetto PID può avere conseguenze di vasta portata poiché può ridurre significativamente la potenza di interi impianti fotovoltaici. Gli investitori dovrebbero quindi prestare particolare attenzione al fatto che le celle PERC sono state certificate per la resistenza PID secondo IEC TS 62804.

Una stella nascente nel campo delle celle solari è la tecnologia TOPCon sviluppata presso il Fraunhofer ISE di Friburgo. Queste cellule possono essere sia monofacciali che bifacciali e, a differenza del PERC, si basano principalmente su wafer di tipo N. Hanno un potenziale di efficienza maggiore rispetto al PERC. L'anno scorso il produttore cinese Jinko Solar ha dimostrato quanto possa essere elevato presentando un modulo solare TOPCon monocristallino bifacciale di tipo N con un'efficienza fino al 23,53%. Il modulo TOPCon presentato da Longi Solar nel 2021 ha raggiunto prestazioni ancora più elevate. Con una cella TOPCon di tipo P si è ottenuta un'efficienza del 25,19%, stabilendo un nuovo record mondiale di efficienza per questa tecnologia. Considerati i rapidi progressi, sarà solo questione di tempo prima che questo record venga battuto. L'intensa ricerca sui moduli dovrebbe garantire che non si veda ancora la fine dello sviluppo.

Sebbene le prestazioni delle celle solari TOPCon siano difficili da battere, la tecnologia PERC domina ancora il mercato. Ciò dovrebbe accadere ancora per un po', a causa della crescente efficienza delle celle e allo stesso tempo della diminuzione dei costi di produzione.

Tuttavia, le celle TOPCon sono in aumento grazie alla loro efficienza estremamente elevata. Gli elevati costi di produzione sono ancora contro questo tipo di fotovoltaico. Tuttavia, con l'inizio della produzione di massa, anche in questo caso sono da aspettarsi notevoli economie di scala, che farebbero sì che i moduli TOPCon in Germania diventino una seria concorrenza per la tecnologia PERC. Lo confermano anche i ricercatori del Fraunhofer-ISE. Tuttavia, secondo loro, per sostenere la redditività economica dei moduli TOPCon è necessario, oltre alla riduzione dei costi di produzione, anche un aumento della produzione fino al livello delle celle PERC.

Secondo i risultati degli scienziati, la tecnologia TOPCon genera costi totali delle celle solari dal 13,5 al 18,6% più alti e costi totali dei moduli dal 3,6 al 5,5% più alti rispetto al PERC per gli impianti fotovoltaici a terra con una potenza di 5 megawatt. Tuttavia, i ricercatori del Fraunhofer ISE hanno affermato che un'efficienza delle celle solari TOPCon maggiore dallo 0,4 allo 0,55% rispetto al p-PERC bifacciale rende possibile una produzione su larga scala economicamente vantaggiosa.

Indipendentemente dal fatto che vengano utilizzate celle solari di tipo N o di tipo P, esiste un modo per aumentare massicciamente l'efficienza dei moduli solari. Questa è la tecnologia bifacciale. A differenza della cella solare monofacciale, che genera elettricità FV solo illuminando la parte superiore, la cella solare bifacciale è progettata in modo tale da poter generare elettricità dall'alto e dal basso. L'aumento dell'utilizzo della luce così ottenuto aumenta notevolmente l'efficienza del modulo.

Naturalmente l'efficienza nella parte inferiore non è così elevata come nella parte superiore, che è orientata verso la luce del sole. Tuttavia, l'efficienza può aumentare di oltre il 19% a causa dell'irraggiamento sul lato inferiore, a seconda della posizione, della distanza dal suolo e delle condizioni esterne. Ciò significa che la capacità dell'intero sistema può essere aumentata da 10 a 30. Ad esempio, la prestazione di un modulo che precedentemente erogava 290 Wp aumenta da 320 a 360 Wp.

Quando si installano sistemi bifacciali, è necessario prestare attenzione per garantire che siano installati ad una distanza sufficiente dalla superficie sottostante per consentire un'ulteriore radiazione. La distanza minima dovrebbe essere di almeno 40 centimetri per superfici da leggermente a mediamente riflettenti come un tetto in tegole o erba. Tuttavia, per superfici altamente riflettenti (ad esempio neve), la distanza dal suolo dovrebbe essere maggiore di 1,5 metri.

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