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Una breve discussione sui tipi di celle solari
Un tempo l'energia solare era appannaggio di veicoli spaziali avanzati e di alcuni gadget fantasiosi, ma non è più così. Negli ultimi dieci anni, l’energia solare si è trasformata da una fonte energetica di nicchia a un pilastro importante del panorama energetico globale.
La terra è continuamente esposta a circa 173.000 TW di radiazione solare, ovvero più di dieci volte la domanda media globale di elettricità.
[1] Ciò significa che l’energia solare ha la capacità di soddisfare tutto il nostro fabbisogno energetico.
Nella prima metà del 2023, la produzione di energia solare ha rappresentato il 5,77% della produzione totale di energia negli Stati Uniti, rispetto al 4,95% nel 2022.
[2] Sebbene i combustibili fossili (principalmente gas naturale e carbone) rappresenteranno fino al 60,4% della produzione di energia elettrica negli Stati Uniti nel 2022,
[3] Ma la crescente influenza dell’energia solare e il rapido sviluppo della tecnologia dell’energia solare meritano attenzione.
Attualmente, sul mercato sono presenti tre categorie principali di celle solari (note anche come celle fotovoltaiche (PV): cristalline, a film sottile e tecnologie emergenti. Questi tre tipi di batterie presentano vantaggi in termini di efficienza, costi e durata.
01 cristallo
La maggior parte dei pannelli solari sul tetto delle case sono realizzati in silicio monocristallino di elevata purezza. Negli ultimi anni questo tipo di batteria ha raggiunto un'efficienza superiore al 26% e una durata utile di oltre 30 anni.
[4] L'efficienza attuale dei pannelli solari domestici è di circa il 22%.
Il silicio policristallino costa meno del silicio monocristallino, ma è meno efficiente e ha una durata di vita più breve. Una minore efficienza significa che sono necessari più pannelli e più area.
Celle solari basati sulla tecnologia all'arseniuro di gallio (GaAs) multi-giunzione sono più efficienti delle celle solari tradizionali. Queste celle hanno una struttura multistrato e ogni strato utilizza un materiale diverso, come fosfuro di indio e gallio (GaInP), arseniuro di indio e gallio (InGaAs) e germanio (Ge), per assorbire diverse lunghezze d'onda della luce solare. Sebbene si prevede che queste celle multigiunzione raggiungano elevate efficienze, soffrono ancora di costi di produzione elevati e di ricerca e sviluppo immaturi, che ne limitano la fattibilità commerciale e le applicazioni pratiche.
02 pellicola
I principali prodotti fotovoltaici a film sottile nel mercato globale sono i moduli fotovoltaici al tellururo di cadmio (CdTe). Milioni di moduli di questo tipo sono stati installati in tutto il mondo, con una capacità di generazione di energia di picco superiore a 30 GW. Sono utilizzati principalmente per la produzione di energia su larga scala negli Stati Uniti. fabbrica.
In questa tecnologia a film sottile, un modulo solare di 1 metro quadrato contiene meno cadmio di una batteria al nichel-cadmio (Ni-Cd) di dimensioni AAA. Inoltre, il cadmio contenuto nei moduli solari è legato al tellurio, che è insolubile in acqua e rimane stabile a temperature fino a 1.200°C. Questi fattori mitigano i rischi tossici derivanti dall’utilizzo del tellururo di cadmio nelle batterie a film sottile.
Il contenuto di tellurio nella crosta terrestre è di sole 0,001 parti per milione. Proprio come il platino è un elemento raro, la rarità del tellurio può influenzare in modo significativo il costo di un modulo al tellururo di cadmio. Tuttavia, è possibile alleviare questo problema attraverso pratiche di riciclaggio.
L'efficienza dei moduli al tellururo di cadmio può raggiungere il 18,6% e l'efficienza della batteria in un ambiente di laboratorio può superare il 22%. [5] L'uso del drogaggio all'arsenico per sostituire il drogaggio al rame, utilizzato da molto tempo, può migliorare notevolmente la durata del modulo e raggiungere un livello paragonabile alle batterie al cristallo.
03Tecnologie emergenti
Le tecnologie fotovoltaiche emergenti che utilizzano film ultrasottili (meno di 1 micron) e tecniche di deposizione diretta ridurranno i costi di produzione e forniranno semiconduttori di alta qualità per le celle solari. Si prevede che queste tecnologie diventeranno concorrenti di materiali consolidati come il silicio, il tellururo di cadmio e l'arseniuro di gallio.
[6]Esistono tre tecnologie a film sottile ben note in questo campo: solfuro di rame e zinco-stagno (Cu2ZnSnS4 o CZTS), fosfuro di zinco (Zn3P2) e nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT). In un ambiente di laboratorio, le celle solari al seleniuro di rame indio gallio (CIGS) hanno raggiunto un picco di efficienza impressionante del 22,4%. Tuttavia, replicare tali livelli di efficienza su scala commerciale rimane una sfida.
[7]Le celle a film sottile di perovskite agli alogenuri di piombo sono un'interessante tecnologia solare emergente. La perovskite è un tipo di sostanza con una tipica struttura cristallina della formula chimica ABX3. È un minerale giallo, marrone o nero il cui componente principale è il titanato di calcio (CaTiO3). Le celle solari tandem alla perovskite a base di silicio su scala commerciale prodotte dalla società britannica Oxford PV hanno raggiunto un’efficienza record del 28,6% e entreranno in produzione quest’anno.
[8]In pochi anni, le celle solari alla perovskite hanno raggiunto efficienze simili a quelle delle esistenti celle a film sottile al tellururo di cadmio. Nelle prime fasi di ricerca e sviluppo delle batterie alla perovskite, la durata della vita era un grosso problema, così breve che poteva essere calcolata solo in pochi mesi.
Oggi le celle di perovskite hanno una durata di servizio di 25 anni o più. Attualmente, i vantaggi delle celle solari in perovskite sono l’elevata efficienza di conversione (oltre il 25%), i bassi costi di produzione e le basse temperature richieste per il processo di produzione.
Realizzazione di pannelli solari integrati
Alcune celle solari sono progettate per catturare solo una parte dello spettro solare consentendo il passaggio della luce visibile. Queste celle trasparenti sono chiamate celle solari sensibilizzate con coloranti (DSC) e sono nate in Svizzera nel 1991. I nuovi risultati di ricerca e sviluppo negli ultimi anni hanno migliorato l'efficienza delle DSC e potrebbe non passare molto tempo prima che questi pannelli solari siano sul mercato.
Alcune aziende infondono nanoparticelle inorganiche negli strati di vetro di policarbonato. Le nanoparticelle di questa tecnologia spostano parti specifiche dello spettro verso il bordo del vetro, consentendo il passaggio della maggior parte dello spettro. La luce concentrata sul bordo del vetro viene poi sfruttata dalle celle solari. Inoltre, è attualmente allo studio la tecnologia per applicare materiali a film sottile di perovskite alle finestre solari trasparenti e alle pareti esterne degli edifici.
Materie prime necessarie per l'energia solare
Per aumentare la produzione di energia solare, aumenterà la domanda di estrazione di importanti materie prime come silicio, argento, rame e alluminio. Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti afferma che circa il 12% del silicio metallurgico mondiale (MGS) viene trasformato in polisilicio per pannelli solari.
La Cina è uno dei principali attori in questo campo, producendo circa il 70% dell’MGS mondiale e il 77% della sua fornitura di polisilicio nel 2020.
Il processo di conversione del silicio in polisilicio richiede temperature molto elevate. In Cina l’energia per questi processi proviene principalmente dal carbone. Lo Xinjiang ha abbondanti risorse di carbone e bassi costi dell’elettricità, e la sua produzione di polisilicio rappresenta il 45% della produzione globale.
[12]La produzione di pannelli solari consuma circa il 10% dell'argento mondiale. L’estrazione dell’argento avviene principalmente in Messico, Cina, Perù, Cile, Australia, Russia e Polonia e può portare a problemi come la contaminazione da metalli pesanti e il trasferimento forzato delle comunità locali.
Anche l’estrazione di rame e alluminio pone sfide relative all’uso del territorio. L'US Geological Survey rileva che il Cile rappresenta il 27% della produzione mondiale di rame, seguito da Perù (10%), Cina (8%) e Repubblica Democratica del Congo (8%). L’Agenzia internazionale per l’energia (IEA) ritiene che se l’utilizzo globale di energia rinnovabile raggiungerà il 100% entro il 2050, la domanda di rame da progetti solari quasi triplicherà.
[13]Conclusione
L’energia solare diventerà un giorno la nostra principale fonte energetica? Il prezzo dell’energia solare sta diminuendo e l’efficienza sta migliorando. Nel frattempo, ci sono molti percorsi diversi di tecnologia solare tra cui scegliere. Quando identificheremo una o due tecnologie e le faremo effettivamente funzionare? Come integrare l'energia solare nella rete?
L'evoluzione dell'energia solare da specialità a mainstream evidenzia il suo potenziale per soddisfare e superare i nostri bisogni energetici. Mentre le celle solari cristalline attualmente dominano il mercato, i progressi nella tecnologia a film sottile e nelle tecnologie emergenti come il tellururo di cadmio e le perovskiti stanno aprendo la strada ad applicazioni solari più efficienti e integrate. L’energia solare deve ancora affrontare molte sfide, come l’impatto ambientale dell’estrazione delle materie prime e i colli di bottiglia nella produzione, ma dopo tutto si tratta di un settore in rapida crescita, innovativo e promettente.
Con il giusto equilibrio tra progressi tecnologici e pratiche sostenibili, la crescita e lo sviluppo dell’energia solare apriranno la strada a un futuro energetico più pulito e abbondante. Per questo motivo, mostrerà una crescita significativa nel mix energetico statunitense e si prevede che diventi una soluzione sostenibile a livello globale.