Dall’ ENEA nuovi traguardi sul fotovoltaico

Nel Centro Ricerche dell’ENEA a Portici si sviluppano nuove tecnologie sui film sottili. Vediamo in cosa consistono e come influenzeranno il mercato futuro

Come noto la tecnologia fotovoltaica consente di generare corrente continua direttamente a partire dalla radiazione solare.
I sistemi fotovoltaici commerciali sono oggi basati prevalentemente sull’utilizzo del silicio monocristallino e policristallino. I moduli realizzati a partire da silicio cristallino rappresentano, infatti, circa il 91% del mercato. Tale tecnologia è matura sia in termini di rendimento ottenibile (13-15% per i prodotti commerciali medi) che di costi di produzione (circa 2-2,5 €/Wp) e non sono prevedibili ulteriori progressi tecnologici o riduzioni sostanziali di costo, salvo miglioramenti marginali e ridotte economie di scala. Occorre evidenziare, inoltre, che l’industria fotovoltaica utilizza il surplus di silicio destinato all’industria elettronica ma, a causa del costante sviluppo di quest’ultima e della crescita esponenziale della produzione fotovoltaica, oggi ci sono difficoltà nel reperire materia prima sul mercato. Questi elementi sono alla base della scelta di puntare su tecnologie diverse, in grado di condurre ad una sostanziale riduzione dei costi di sistema e di superare il problema della disponibilità di materia prima. Molti esperti del settore sono concordi nel considerare la tecnologia dei film sottili come la soluzione con le maggiori potenzialità per raggiungere l’obbiettivo di una sostanziale riduzione dei costi di produzione, fino a valori inferiori a 1€/Wp, nel breve-medio termine.
I moduli a film sottile sono ottenuti depositando pochi micron di materiale semiconduttore su dei substrati di basso costo (vetro, metallo o plastica). La scelta dei materiali semiconduttori è fatta sulla base della loro capacità di assorbimento della radiazione solare. Moduli a film sottile sono realizzati utilizzando il Silicio amorfo e microcristallino (a-Si e μ-Si, con 6-9% di efficienza commerciale), il Diseleniuro di Rame e Indio (CIS, CIGS nel caso di aggiunta di Gallio, 10-12%), o il Tellururo di Cadmio (CdTe, 9%). I film di materiale semiconduttore possono essere depositati direttamente su larga area (fino a superfici maggiori di 5m²) utilizzando tecniche di deposizione a basso consumo di energia: in tal caso è, quindi, breve il cosiddetto payback time, ossia quanto tempo deve operare un impianto fotovoltaico per produrre l’energia impiegata per fabbricarlo, circa 1 anno per i film sottili di silicio amorfo contro i 2 della tecnologia del silicio cristallino, secondo le valutazioni più aggiornate. E’ possibile anche realizzare giunzioni multiple sovrapponendo in serie più strati di materiali semiconduttori, con risposta ottimale per intervalli diversi di lunghezze d’onda dello spettro della luce solare, allo scopo di sfruttarlo al meglio. I moduli a film sottili dimostrano anche una migliore resa energetica rispetto ai moduli in silicio cristallino di pari potenza nominale: essi presentano, infatti, una minore dipendenza dell’efficienza dalla temperatura di funzionamento, che nei mesi estivi può raggiungere anche i 70°C, e una buona risposta anche quando la componente di luce diffusa è più marcata e quando sono bassi i livelli di irradianza (rispetto al riferimento standard di 1000 W/m²) ), ossia nelle giornate nuvolose. Agli indubbi vantaggi della tecnologia a film sottile non è corrisposto fino a oggi l’aspettato successo industriale per il persistere di alcuni fattori negativi: il confronto tra moduli a film sottili e al silicio cristallino sfavorevole per i primi perchè di solito, acriticamente, non basato sulle rese energetiche ma sulle efficienze standard; difficoltà nel passaggio dalle linee pilota a quelle industriali per l’alto costo dell’investimento richiesto (è necessario approntare la linea di fabbricazione completa, mentre nel caso del silicio cristallino si possono acquistare i wafer da aziende specializzate). Nell’ultimo periodo, però, è stata riscontrata una netta inversione di tendenza con l’entrata in funzione di nuovi impianti e l’annuncio di nuovi investimenti, sia in Europa che nel resto del mondo, per realizzare stabilimenti di produzione di moduli a film sottili con tutte le diverse tecnologie disponibili (silicio, CIGS e CdTe), ma con una forte prevalenza di quella, più consolidata, del silicio.
Nei laboratori del Centro Ricerche dell’ENEA di Portici si svolgono attività di ricerca sui film sottili di silicio, in considerazione delle sue caratteristiche: possibilità di produzioni di massa a basso costo, disponibilità delle materie prime, buona compatibilità ambientale. La struttura di dispositivo che appare essere più promettente è quella della giunzione tandem cosiddetta “micromorfa” composta da una cella top in silicio amorfo e una cella bottom in silicio microcristallino. Tale struttura consente, infatti, di realizzare dispositivi che sfruttano meglio lo spettro solare e che consentono di ottenere efficienze stabili più elevate, conservando i vantaggi economici e tecnologici del semplice silicio amorfo. I film di silicio vengono depositati attraverso la tecnica Very High Frequency PECVD, che permette di ottenere elevate velocità di deposizione con conseguente riduzione dei tempi di lavorazione e quindi dei costi associati. Sono state ottenute celle con un’efficienza iniziale dell’11.3% e stabilizzata a valori maggiori del 10%. Parallelamente allo studio della giunzione attiva del dispositivo fotovoltaico, ENEA sta sviluppando film di ossido trasparente e conduttivo (TCO) da utilizzare come elettrodo frontale dello stesso dispositivo. L’ossido deve avere tre importanti qualità: buona conducibilità elettrica, buona trasmissione ottica ed una appropriata rugosità superficiale che consenta di diffondere la luce che entra nella cella per assicurare il più efficace intrappolamento di essa all’interno del dispositivo. Queste proprietà del TCO influenzano in maniera cruciale le prestazioni del dispositivo. Nei laboratori di Portici è stato progettato e realizzato un impianto Low Pressure-Metalorganic Chemical Vapour Deposition (LP-MOCVD) per la deposizione di film sottili di ZnO drogato su area 30×30 cm²) . La messa a punto dei parametri di deposizione ha consentito l’ottimizzazione delle proprietà del materiale su larga area: sono stati realizzati film di ZnO con trasmissione ottica di oltre l’82% nel intervallo di lunghezza d’onda 400-800 nm, e resistività di 6•10^-4 Ω cm. Le eccellenti proprietà di scattering della luce mostrate rendono tale materiale idoneo all’uso come elettrodo frontale trasparente e conduttivo di dispositivi ad alta efficienza.