3. Pannelli Solari: Differenze
Capitolo 3
Moduli in silicio cristallino
I moduli in silicio cristallino sono attualmente i più utilizzati negli impianti installati e si dividono in tre macro categorie:
1. Monocristallino
costituiti da un cristallo singolo omogeneo, sono prodotti a partire da cristalli di silicio di elevata purezza. Il lingotto di silicio monocristallino ha una forma cilindrica con un diametro compreso tra 13 e 20 cm e una lunghezza di circa 200 cm. Questo cilindro viene ottenuto attraverso un processo di accrescimento di un cristallo filiforme in lenta rotazione. Il lingotto viene successivamente suddiviso in wafer con uno spessore di 200-250 μm, la cui superficie superiore viene trattata con microsolchi per minimizzare le perdite per riflessione. Il vantaggio principale di queste celle risiede nella loro efficienza, che varia tra il 16% e il 16,5% (20-22% per i moduli ad alte prestazioni), associata a una lunga durata e a un mantenimento delle caratteristiche nel tempo. Il costo medio di questi moduli si aggira intorno a 0,15 €/W, e sono caratterizzati da una colorazione blu scuro omogenea.
2. Policristallino
i cristalli che compongono le celle sono aggregati con forma e orientamenti diversi. Il lingotto di silicio policristallino si ottiene mediante un processo di fusione, successivamente colato in un contenitore a forma di parallelepipedo. I wafer risultanti presentano forma squadrata e striature con uno spessore di 180-300 μm. L’efficienza dei moduli policristallini è inferiore rispetto ai monocristallini, oscillando tra il 15% e il 16% (18-20% per i moduli ad alte prestazioni), ma il prezzo è più contenuto, pari a circa 0,14 €/W. La durata è comunque elevata e comparabile a quella dei moduli monocristallini, con il mantenimento dell’85% del rendimento iniziale dopo 20 anni. Le celle policristalline si riconoscono per l'aspetto superficiale caratterizzato dalla visibilità dei grani cristallini.
3. Quasi-monocristallino
presentano una struttura intermedia tra il monocristallino e il policristallino. Il metodo di produzione dei lingotti è simile a quello del policristallino, ma sul fondo del crogiuolo viene posto un cristallo di silicio monocristallino che funge da nucleo di condensazione, favorendo la formazione di cristalli di grandi dimensioni. Il raffreddamento del lingotto avviene lentamente, permettendo ai cristalli di crescere senza frammentarsi, con una direzione di crescita dal nucleo di silicio verso l'alto.
Moduli in film sottile
Nella produzione su larga scala dei moduli in tellururo di cadmio si presenta il problema ambientale del composto CdTe contenuto nella cella, il quale, non essendo solubile in acqua, potrebbe costituire una minaccia in caso di danneggiamento o fine vita del modulo. Tuttavia, i costi produttivi di tale tecnologia sono molto bassi e il ciclo di vita del modulo è simile a quello dei moduli in silicio cristallino. Le efficienze si attestano su valori di circa 10-11% per applicazioni commerciali.
Le celle a base di diseleniuro di indio e rame (CIS, CIGS, CIGSS) si distinguono per una buona capacità di assorbimento della radiazione solare. In particolare, la tecnologia CIGS (Copper Indium Gallium Selenide) ha il vantaggio di poter essere depositata su superfici flessibili, permettendo applicazioni in cui la leggerezza e la flessibilità sono requisiti fondamentali. Le efficienze di tali celle sono leggermente superiori a quelle del silicio amorfo, con valori che vanno dall’11 al 13%. Un ulteriore miglioramento è stato ottenuto con l’introduzione di strati aggiuntivi per la separazione dello spettro solare, che hanno portato a un incremento dell’efficienza.
Infine, i moduli in arseniuro di gallio (GaAs) sono caratterizzati da una straordinaria efficienza, con valori superiori al 25% in condizioni standard. Tuttavia, i costi di produzione sono ancora molto elevati e ne limitano l’impiego a nicchie di mercato specifiche, come ad esempio l’industria spaziale, dove il peso e l’efficienza sono criteri prioritari rispetto al costo. in acqua e più stabile di altri composti contenenti cadmio, può diventare un problema se non correttamente riciclato o utilizzato. Le celle CdTeS hanno un’efficienza maggiore rispetto a quelle in silicio amorfo (12,4-13,4%, mentre 12,7-14,2% per i moduli ad alte prestazioni).
Nei moduli CIS/CIGS/CIGSS, ancora in fase di studio e sviluppo, vengono impiegate leghe speciali in sostituzione del silicio:
- CIS: rame, indio e selenite;
- CIGS: rame, indio, gallio e selenite;
- CIGSS: rame, indio, gallio, selenite e zolfo.
L’efficienza è del 14,1-14,6% (15% per i moduli ad alte prestazioni) e le prestazioni rimangono stabili nel tempo. La tecnologia GaAs è attualmente la più interessante in termini di efficienza, con valori superiori al 25-30%, ma la produzione di tali celle è limitata dagli elevati costi e dalla scarsità del materiale, utilizzato principalmente nell'industria dei “semiconduttori ad alta velocità di commutazione” e dell’optoelettronica. La tecnologia GaAs viene utilizzata soprattutto per applicazioni spaziali, dove il peso e le dimensioni ridotte sono fattori cruciali.
La quota di mercato delle tecnologie a film sottile è ancora limitata, ma queste vengono considerate come una soluzione con grandi potenzialità nel medio-lungo termine, anche grazie alla possibilità di una significativa riduzione dei prezzi. Depositando il film sottile direttamente su larga scala, fino a oltre 5 m², si eliminano gli sprechi di lavorazione tipici del taglio dei wafer di silicio cristallino.
Tabella - Confronto tra diverse tecnologie di moduli fotovoltaici
Tecnologia | Efficienza della cella (η) | Vantaggi | Svantaggi |
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Silicio monocristallino | 16% - 17% | Elevata efficienza, stabilità, tecnologia affidabile | Maggiore quantità di energia necessaria per la fabbricazione |
Silicio policristallino | 14% - 16% | Costo inferiore, fabbricazione più semplice, ingombro ottimale | Sensibilità alle impurità nella fabbricazione |
Silicio amorfo | 7% - 8% | Costo minore, ridotta influenza della temperatura, migliore resa con radiazione diffusa | Maggiori dimensioni, costo della struttura e tempi di montaggio |
Tabella - Tecnologie avanzate di moduli fotovoltaici
Tecnologia | Efficienza della cella (η) | Vantaggi | Svantaggi |
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GaAs (Arseniuro di Gallio) | 32,5% | Alta resistenza alle alte temperature (adatto ai concentratori) | Tossicità, disponibilità dei materiali |
CdTe (Tellururo di Cadmio) | 12,4% - 13,4% | Basso costo | Tossicità, disponibilità dei materiali |
CIS (Diseleniuro di Indio e Rame) | 13,6% - 14,6% | Molto stabile | Tossicità |
Le tecniche di deposizione dei film sottili sono a basso consumo di energia e, di conseguenza, il tempo di payback energetico è breve: circa 1 anno per i moduli in film sottile di silicio amorfo, contro i 2 anni necessari per i moduli in silicio cristallino. Rispetto ai moduli in silicio cristallino, i moduli a film sottile hanno una minore dipendenza dell’efficienza dalla temperatura di funzionamento e una migliore risposta quando la componente di luce diffusa è maggiore o i livelli di irraggiamento sono bassi, come nelle giornate nuvolose.