Celle solari: quali moduli solari offrono attualmente la migliore tecnologia e le prestazioni più elevate?

Lo sviluppo tecnologico nel campo delle celle solari continua a progredire rapidamente. Ciò che ieri era all'avanguardia e innovativo, oggi spesso risulta obsoleto. I progressi tecnologici rendono i sistemi sempre più robusti ed efficienti, con conseguente aumento della domanda di energia fotovoltaica. È probabile che questa domanda venga ulteriormente incrementata dalla legge sulla protezione del clima e dall'obiettivo della Germania di raggiungere la neutralità climatica entro il 2045, motivo per cui si prevede un aumento significativo delle energie rinnovabili nei prossimi anni.

L'efficienza della tecnologia fotovoltaica dipende in modo cruciale dalle diverse tipologie di moduli solari utilizzati. In Germania, quattro tipologie di moduli in particolare dominano l'uso degli impianti fotovoltaici. Ne presentiamo i vantaggi e gli svantaggi, nonché le prospettive future.

Moduli solari: quali tipi esistono?

Le diverse tipologie di moduli fotovoltaici sono caratterizzate da differenze tecniche, talvolta significative, che si traducono in prestazioni, durata e costi molto variabili. Li esamineremo più in dettaglio di seguito:

• Moduli vetro-vetro / doppio vetro
• Moduli policristallini
• Moduli monocristallini
• Moduli a film sottile
• Moduli CIS/CIGS

Nel modulo in vetro con tecnologia a celle bifacciali, la luce viene catturata sia sul fronte che sul retro del modulo. Aumentando la quantità di luce catturata, aumenta l'efficienza del modulo.

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I moduli fotovoltaici policristallini, come i loro omologhi monocristallini, sono realizzati in silicio. Dopo la fusione, il silicio viene colato in stampi allungati e rettangolari e raffreddato lentamente. Le strutture cristalline risultanti vengono poi separate in ulteriori fasi di produzione e tagliate in wafer, che formano le celle solari policristalline. Visivamente, si distinguono per il loro sorprendente colore blu.

Questo processo ha il vantaggio di essere relativamente economico, motivo per cui i moduli fotovoltaici policristallini sono stati a lungo tra le celle solari più utilizzate. La tecnologia è collaudata da molti anni ed è quindi estremamente affidabile. Oltre alla bassa suscettibilità ai malfunzionamenti, un altro vantaggio di questo sistema è la lunga durata. Tuttavia, il processo di produzione presenta lo svantaggio di creare imperfezioni alle interfacce tra i singoli cristalli. Ciò si traduce in un'efficienza di queste celle solari solo nella media, compresa tra il 12 e il 16%. Di conseguenza, lo spazio richiesto aumenta e l'efficienza diminuisce.

Altri due svantaggi che i moduli policristallini e monocristallini hanno in comune sono il peso relativamente elevato e le perdite di prestazioni in condizioni di luce diffusa e temperature elevate.

Anche i moduli monocristallini sono realizzati in silicio. A differenza dei moduli policristallini, il silicio viene fuso una seconda volta, dando origine a monocristalli colonnari (da cui il termine "mono"). Non subiscono le perdite per attrito osservate nei moduli policristallini. Questo si traduce in un'efficienza maggiore, fino al 20%, in queste celle solari con riflessi che vanno dal blu scuro al nero.

Oltre alla loro bassa suscettibilità ai malfunzionamenti e al loro design collaudato da decenni, i moduli monocristallini si caratterizzano per il loro ingombro ridotto. Tuttavia, questi moduli sono relativamente costosi da produrre. Inoltre, sono relativamente pesanti e presentano un'efficienza ridotta in condizioni di scarsa illuminazione e temperature elevate.

In sintesi, entrambi i tipi di moduli cristallini offrono prestazioni efficaci. Tuttavia, sono relativamente pesanti, e i moduli solari monocristallini rappresentano la scelta migliore in spazi ristretti grazie alla loro maggiore efficienza. Questa maggiore efficienza ha portato alla loro diffusa adozione rispetto alle celle solari policristalline, nonostante il prezzo più elevato.

Tuttavia, il fatto che i moduli policristallini siano fino a un terzo più economici (per kWp) fa sì che continuino a essere molto popolari, soprattutto per i grandi impianti fotovoltaici senza vincoli di spazio.

Come suggerisce il nome, i moduli a film sottile sono caratterizzati da uno spessore estremamente ridotto. Tradizionalmente, i moduli a film sottile vengono realizzati utilizzando semiconduttori in silicio amorfo. In questo sistema, un substrato, solitamente in vetro, viene rivestito con uno strato sottile. Questo metodo di costruzione fa sì che le celle solari a film sottile siano circa 100 volte più sottili di due moduli solari realizzati con wafer di silicio.

Nella microelettronica, nel fotovoltaico e nella tecnologia dei microsistemi, i wafer sono dischi circolari o quadrati di circa un millimetro di spessore. Sono realizzati a partire da grezzi monocristallini o policristallini (semiconduttori), noti come lingotti, e in genere fungono da substrati (piastre di base) per componenti elettronici, inclusi circuiti integrati (CI, "chip"), componenti micromeccanici e rivestimenti fotoelettrici. Nella produzione di componenti microelettronici, diversi wafer vengono solitamente combinati in un lotto e lavorati in sequenza o in parallelo.

Questo è anche uno dei maggiori vantaggi dei moduli a film sottile, poiché il loro peso ridotto li rende molto flessibili e versatili. Pertanto, questi moduli non vengono più utilizzati solo nei grandi impianti fotovoltaici, ma anche per la generazione di energia in orologi e altri piccoli dispositivi elettronici. Inoltre, i moduli a film sottile sono facili da produrre ed economici grazie al basso fabbisogno di materie prime, il che ne ha ulteriormente favorito la diffusione. Infine, la loro curva di prestazione non si appiattisce in condizioni di illuminazione sfavorevoli come quella dei due moduli cristallini sopra menzionati.

Tuttavia, questi moduli sottili presentano lo svantaggio di un'efficienza significativamente inferiore rispetto ad altre celle solari. Questa può arrivare fino al 7%, il che significa che il loro utilizzo negli impianti fotovoltaici richiede una notevole quantità di spazio. Per ottenere una maggiore efficienza, i produttori sono passati alla produzione di moduli a film sottile con tellururo di cadmio (CdTe). Questo principio di progettazione offre il vantaggio di un'efficienza leggermente superiore, fino all'8%. È particolarmente adatto per l'uso in aree con elevati livelli di foschia e nebbia, nonché in condizioni di luce diffusa. Tuttavia, gli utenti devono accettare prezzi più elevati e costi aggiuntivi per il riciclaggio più costoso del cadmio contenuto nei moduli durante la dismissione. Nonostante l'aumento dei costi, l'utilizzo di questo design modulare più efficiente è ora in aumento.

Inoltre, molte aziende stanno attualmente studiando moduli a film sottile realizzati con solfuro di rame-zinco-stagno e zolfo (CZTS). Questo materiale semiconduttore ha il vantaggio, rispetto alle celle solari a film sottile convenzionali, di non richiedere l'uso di elementi rari e tossici. Tuttavia, ci vorrà probabilmente del tempo prima che questa tecnologia sia pronta per la produzione di massa.

Questi moduli sono un tipo speciale di cella solare a film sottile e attualmente il secondo design più comune in questo campo, dopo la variante CdTe. Sono basati sui composti diseleniuro di rame indio (CIS) o diseleniuro di rame indio gallio (CIGS) e conducono l'elettricità significativamente meglio dei moduli a film sottile a base di silicio. La loro efficienza varia tra il 12 e il 15%, equivalente alla più alta efficienza tra le celle solari a film sottile. Inoltre, subiscono solo perdite minime in luce diffusa e alte temperature e sono anche leggeri e resistenti ai difetti.

Questi vantaggi sono controbilanciati dal costoso processo di produzione e dal complesso processo di riciclo del selenio contenuto nei moduli. Inoltre, a causa dello sviluppo relativamente recente di questi moduli, mancano dati a lungo termine sulla durabilità del sistema. Tuttavia, è principalmente il prezzo elevato che ha causato la stagnazione della produzione di queste celle solari per anni.

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