Moduli solari: tecnologia delle celle solari PERC vs. TOPCon

Sebbene la prima cella solare, sviluppata negli Stati Uniti nel 1954, fosse una cella di tipo N, la cella di tipo P divenne dominante negli anni successivi. Questo perché, inizialmente, i moduli venivano utilizzati principalmente nell'industria aerospaziale, dove si dimostrarono più robusti. Solo negli ultimi anni i produttori di celle solari hanno iniziato a riconsiderare il loro approccio, a causa della maggiore potenza erogata dalle celle di tipo N. Ciò è dovuto principalmente alla maggiore durata di queste celle, poiché, a differenza di quelle di tipo P, non sono soggette al "difetto boro-ossigeno". Questo difetto porta a una diminuzione dell'efficienza nel tempo. Inoltre, le celle solari di tipo N sono meno soggette a impurità metalliche nel silicio.

Nella tecnologia fotovoltaica (FV), anche la minima discrepanza nella composizione chimica può portare a differenze significative in termini di efficienza e redditività economica. Un esempio lampante è il confronto tra celle solari di tipo P e di tipo N. Queste differiscono nella struttura cellulare: le celle solari di tipo P si basano su un substrato di silicio caricato positivamente, mentre le celle solari di tipo N sono progettate in modo opposto, con il lato drogato negativamente che funge da base della cella.

Tuttavia, le celle solari di tipo N sono attualmente più costose da produrre, a causa di decenni di attenzione alle celle di tipo P. La loro produzione ha portato a economie di scala nella catena del valore, che devono ancora essere stabilite per la produzione di tipo N. Inoltre, la produzione di moduli solari di tipo N richiede fasi aggiuntive, che aumentano ulteriormente i costi. Tuttavia, grazie alla loro maggiore efficienza, la quota di mercato delle celle di tipo N è in costante aumento ed è probabile che sia solo questione di tempo prima che sostituiscano le celle di tipo P come tecnologia solare dominante.

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

I moduli PERC aumentano l'efficienza dei moduli fotovoltaici perché convertono la luce in ingresso in energia in modo più efficace. Questo risultato si ottiene riflettendo la porzione di luce che raggiunge il retro della cella, all'interno della stessa. Ciò è reso possibile da uno strato applicato sul retro del modulo, noto come passivazione posteriore. L'aumento di efficienza delle celle PERC rispetto ai moduli convenzionali è dell'1%, il che a sua volta contribuisce a ridurre i costi di produzione per kWp generato.

Per ottenere la massima efficienza, le celle PERC utilizzano principalmente mono-wafer. Questo tipo di cella solare ha subito un notevole sviluppo negli ultimi anni. L'aumento dell'efficienza ha portato alla quasi completa sostituzione delle celle convenzionali in alluminio BSF negli impianti fotovoltaici professionali. Tuttavia, le celle PERC sono tutt'altro che una novità: il loro principio è stato descritto per la prima volta nel 1983 dall'Università del Nuovo Galles del Sud in Australia. Solo grazie al continuo miglioramento dei processi produttivi, il potenziale di questa tecnologia ha potuto essere pienamente sfruttato per la produzione di massa.

Tuttavia, la tecnologia PERC non è esente da problemi. Queste celle sono più suscettibili alla degradazione indotta dalla luce (LID) rispetto alle celle convenzionali. Questo effetto LID causa un calo delle prestazioni delle celle solari dopo la prima esposizione alla luce. Anche il rischio di degradazione indotta dal potenziale (PID) è maggiore. I difetti PID possono avere conseguenze di vasta portata, in quanto possono ridurre significativamente la potenza di interi impianti fotovoltaici. Pertanto, gli investitori dovrebbero prestare particolare attenzione alla certificazione delle celle PERC per la resistenza al PID secondo la norma IEC TS 62804.

Una stella nascente nella tecnologia delle celle solari è TOPCon, sviluppata presso il Fraunhofer ISE di Friburgo. Queste celle possono essere sia mono che bifacciali e, a differenza del PERC, utilizzano principalmente wafer di tipo N. Presentano un potenziale di efficienza maggiore rispetto al PERC. Il produttore cinese Jinko Solar ha dimostrato quanto elevato possa essere questo potenziale lo scorso anno, presentando un modulo solare TOPCon monocristallino e bifacciale di tipo N con un'efficienza fino al 23,53%. Il modulo TOPCon di Longi Solar, presentato nel 2021, ha raggiunto prestazioni ancora più elevate. Utilizzando una cella TOPCon di tipo P, ha stabilito un nuovo record mondiale di efficienza per questa tecnologia, raggiungendo il 25,19%. Considerati i rapidi progressi, è probabile che sia solo questione di tempo prima che questo record venga superato. Un'intensa ricerca su questi moduli garantirà che lo sviluppo continui a lungo.

Sebbene le prestazioni delle celle solari TOPCon siano difficili da battere, la tecnologia PERC continua a dominare il mercato. È probabile che questa tendenza rimanga invariata per un bel po' di tempo, grazie al continuo aumento dell'efficienza delle celle e alla contemporanea riduzione dei costi di produzione.

Tuttavia, le celle TOPCon stanno guadagnando terreno grazie alla loro efficienza eccezionalmente elevata. Attualmente, gli elevati costi di produzione rappresentano uno svantaggio per questo tipo di impianto fotovoltaico. Tuttavia, con l'aumento della produzione di massa si prevedono significative economie di scala, che consentirebbero ai moduli TOPCon di diventare seri concorrenti della tecnologia PERC in Germania. I ricercatori del Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (ISE) lo confermano. Secondo loro, tuttavia, oltre a ridurre i costi di produzione, è necessario aumentare la produzione al livello delle celle PERC per stabilire la redditività economica dei moduli TOPCon.

Secondo i risultati ottenuti dagli scienziati, la tecnologia TOPCon comporta costi totali per le celle solari dal 13,5 al 18,6% più elevati e costi totali per modulo dal 3,6 al 5,5% più elevati rispetto al PERC negli impianti fotovoltaici a terra con una capacità di 5 megawatt. Ciononostante, i ricercatori del Fraunhofer ISE hanno osservato che l'efficienza delle celle solari TOPCon, superiore dallo 0,4 allo 0,55% rispetto al p-PERC bifacciale, consente una produzione di massa a costi contenuti.

Indipendentemente dal fatto che vengano utilizzate celle solari di tipo N o di tipo P, esiste un modo per aumentare significativamente l'efficienza dei moduli solari: la tecnologia bifacciale. A differenza delle celle solari monofacciali, che generano energia fotovoltaica solo quando la loro superficie superiore è illuminata, le celle solari bifacciali sono progettate per generare energia sia dalla superficie superiore che da quella inferiore. Questo maggiore assorbimento della luce migliora notevolmente l'efficienza del modulo.

Naturalmente, l'efficienza sul lato inferiore non è elevata quanto quella sul lato superiore, esposto al sole. Tuttavia, a seconda della posizione, della distanza dal suolo e delle condizioni esterne, l'efficienza può aumentare di oltre il 19% grazie all'aumento dell'irradiazione sul lato inferiore. Ciò può comportare un aumento della potenza complessiva del sistema compreso tra 10 e 30 Wp. Ad esempio, la potenza di un modulo che in precedenza erogava 290 Wp aumenta a 320-360 Wp.

Quando si installano sistemi bifacciali, è importante assicurarsi che siano montati a una distanza sufficiente dalla superficie sottostante per consentire una maggiore trasmissione luminosa. Per superfici con bassa o media riflettività, come un tetto di tegole o un manto erboso, la distanza minima dovrebbe essere di almeno 40 centimetri. Per superfici altamente riflettenti (ad esempio, la neve), la distanza dal suolo dovrebbe essere superiore a 1,5 metri.

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