Nei primi anni '90, un team di ricerca guidato da Andrew Blakes e Martin Green presso l'Università del Nuovo Galles del Sud (UNSW) in Australia stava lavorando per riconquistare il record mondiale per la cella solare monocristallina più efficiente. Il gruppo aveva aperto la strada per tutti gli anni '80, con una serie di sviluppi da record che avevano portato l'efficienza di conversione energetica in campioni di celle fotovoltaiche realizzate in laboratorio dal 18% nel 1984 al 20% entro il 1986, ma aveva perso il primato a favore di un team concorrente della Stanford University nel 1988.

Nel 1989 il gruppo UNSW ha riportato un nuovo tipo di design di cella solare, chiamato cella PERC (Passive Emitter Rear Collector), con un'efficienza del 22-23%, riconquistando il record mondiale per il team.

Per tutti gli anni '90, i miglioramenti alla tecnologia delle celle PERC apportati dal team hanno aumentato l'efficienza delle celle al 25%, un record che sarebbe rimasto imbattuto per 15 anni.

Facendo un salto al 2015, le celle solari PERC avevano compiuto la transizione da curiosità di laboratorio a implementazione in pannelli solari prodotti in massa. Nei pochi anni successivi, PERC è arrivata a dominare il mercato solare. Nel 2019 tutte le linee di produzione di celle solari di nuova installazione erano basate sulla tecnologia PERC, e PERC rappresentava il 65% di tutte le celle solari prodotte.

Ciò che possiamo dedurre da questa storia è che, sebbene il lavoro di sviluppo in laboratorio sulle celle PERC sia stato completato entro il 1999, ci sono voluti altri 16 anni prima che i prodotti basati su questa tecnologia apparissero sul mercato.

Dal grafico possiamo anche notare che tra il 1999 e il 2014 non ci sono stati ulteriori progressi nell'avanzamento dell'efficienza delle celle monocristalline nei laboratori di tutto il mondo. Se i recenti progressi da record impiegheranno lo stesso tempo per passare dai dispositivi di ricerca alla produzione in volume, dovremo aspettare fino al 2030 prima che inizino ad apparire nei pannelli solari commerciali.

Potrebbe benissimo essere che, a causa della massiccia crescita dell'industria solare nel frattempo, gli attuali budget di ricerca siano di gran lunga superiori a quelli del 1999, quindi potremmo non dover aspettare 16 anni, ma innegabilmente l'introduzione delle PERC potrebbe rappresentare un plateau nella marcia inesorabile dell'efficienza delle celle solari che ha caratterizzato il mercato fotovoltaico per molti anni.

Come hanno risposto i produttori di pannelli?

Con clienti abituati a pannelli che aumentavano la potenza ogni anno, i produttori hanno fatto ricorso a quello che potrebbe sembrare un trucco economico. Se le celle non diventano più efficienti, facciamo i pannelli più grandi. È emersa una proliferazione di diversi formati di celle e dimensioni di pannelli. Vedi il mio precedente blog sulla proliferazione dei formati di pannelli e celle.

Questo gioco di prestigio non così sottile ha oscurato il fatto che la tecnologia si è bloccata. Sebbene le potenze dei pannelli stiano aumentando, la potenza specifica (potenza per metro quadrato) sta crescendo solo leggermente e a causa di un imballaggio più efficiente delle celle nei pannelli più grandi.

Esiste tuttavia un limite alle dimensioni di un modulo prima che gli svantaggi in termini di movimentazione e facilità di installazione inizino a compensare e, infine, a superare i benefici, soprattutto nel solare su tetto dove la movimentazione meccanica è meno agevole da organizzare.

Quale futuro per l'efficienza delle celle solari?

La sfida per i ricercatori che cercano di aumentare l'efficienza delle celle solari è che le celle si stanno già avvicinando a un limite invalicabile – il limite di Shockley-Queisser. Questo limite teorico di efficienza si basa su leggi fisiche. Per una cella in silicio monocristallino a semiconduttore p-n a giunzione singola, come quelle utilizzate oggi nei pannelli solari, il limite è del 32%. Con efficienze di laboratorio del 26,1%, il record attuale rappresenta già l'81% del massimo raggiungibile.

Alcuni operatori del settore indicano le celle a eterogiunzione (HJT) come successore delle PERC. Introdotte da Sanyo negli anni '80 e acquisite da Panasonic nel 2009, le celle solari HJT hanno attualmente un'efficienza record mondiale del 26,7%, leggermente superiore a quella delle celle PERC, ma queste celle presentano un limite di efficienza teorico simile basato su una singola giunzione p-n.

Un modo per superare il limite teorico di efficienza è creare una cella contenente più giunzioni p-n, ciascuna sintonizzata su diverse lunghezze d'onda. Una gamma più ampia di lunghezze d'onda della luce può quindi essere convertita in elettricità.

Tra le soluzioni che esplorano una cella multistrato, un approccio chiamato cella tandem a perovskite sembra il più vicino alla commercializzazione. (Vedi ad esempio Oxford Photovoltaics). Un sottile strato di materiale fotovoltaico a perovskite viene depositato sulla superficie della cella di silicio. La perovskite cattura l'energia da un insieme di lunghezze d'onda della luce e permette al resto di passare attraverso per la conversione da parte della cella di silicio sottostante. Efficienze che si avvicinano al 30% sono state raggiunte in laboratorio e, cosa importante, il tasso di miglioramento è rapido, suggerendo che potrebbero esserci ulteriori progressi in futuro.

Il problema che deve affrontare qualsiasi tecnologia sfidante è superare l'inerzia derivante dagli ingenti investimenti negli impianti di produzione esistenti per le celle in silicio cristallino e dimostrare ai clienti che la prossima novità avrà una durata di vita equivalente. Ciò che è interessante nell'approccio della cella tandem a perovskite è che si basa letteralmente sulla collaudata cella in silicio cristallino aggiungendo un nuovo strato. Gli impianti esistenti potrebbero essere modificati anziché dismessi, e il compito di dimostrare la longevità diventa leggermente meno impegnativo.

La rapida crescita di un'industria solare globale è stata trainata dalla riduzione del costo dell'energia generata dal solare, abbassando sempre più il costo per watt-picco dei moduli fotovoltaici. I due motori, i miglioramenti tecnologici della densità energetica delle celle e le efficienze di scala, hanno lavorato in concerto per ridurre questo costo per watt-picco anno dopo anno.

Ora sembra che le tecnologie delle celle che hanno portato l'industria fin qui stiano raggiungendo il loro limite.

Finché le rivoluzionarie tecnologie di celle odierne non passeranno dal laboratorio alla produzione di massa, come le invenzioni del team UNSW, l'industria solare dovrà fare maggiormente affidamento sulle economie di scala e sulle efficienze di produzione per guidare i miglioramenti.

Questo blog è stato pubblicato per la prima volta su Solar Blogger qui