Il fotovoltaico del futuro: nuovi materiali, più efficienza e la ricerca di maggiore sostenibilità.
Le novità tecnologiche del fotovoltaico sviluppate, o che promettono sviluppi nel prossimo futuro, sono molte. Il recente report dell’International Energy Agency (IEA), denominato “Renewables 2023”, ha messo in evidenza il peso del solare che, sulla quantità totale di capacità energetica record dello scorso anno (aumentata del 50% rispetto al 2022), raggiunge i tre quarti della produzione totale da rinnovabili. Tuttavia, come la stessa IEA ha evidenziato, è necessaria un’ulteriore crescita del solare e delle altre fonti rinnovabili per mitigare l’impatto delle emissioni globali di gas serra. Il fotovoltaico infatti deve crescere del 25% circa ogni anno con un obiettivo di 75 TW di installazioni globali entro il 2050. Quindi, occorre far spazio non solo alle tecnologie consolidate, ma sviluppare soluzioni più performanti, meglio adattabili alle singole esigenze, recuperabili o smaltibili a fine vita. Quali sono le nuove tecnologie del fotovoltaico? Nel panorama odierno, le tecnologie del fotovoltaico prevalenti sono quelle al silicio, ma la ricerca non si ferma e, per far fronte alle complesse esigenze future, si stanno già studiando nuovi materiali e tecnologie che consentono maggior efficienza, oltre ad un’attenzione particolare alla sostenibilità. Il silicio: i pannelli in silicio bifacciale Una tecnologia consolidata è il silicio bifacciale, che è cresciuto nei sistemi fotovoltaici commerciali perché garantisce prestazioni più elevate rispetto alla tecnologia fotovoltaica monofacciale convenzionale. Questi pannelli a silicio bifacciale riescono a generare energia da entrambi i lati della cella fotovoltaica, aumentando la produzione di energia rispetto a un modulo fotovoltaico standard. Sono infatti realizzati con un numero standard di celle ad alta potenza, ma accoppiate ad un supporto isolante trasparente, fatto in vetro temperato o in polimeri su cui vengono appoggiate le celle fotovoltaiche, che le rende facilmente attraversabili dalla luce. Ciò permette di catturare la luce riflessa sulla parte posteriore e garantire un incremento di produzione che può oscillare tra il 10 e il 25% in più rispetto a un modulo monofacciale. Si ritiene che questa sarà la tecnologia maggiormente protagonista nel futuro: secondo diversi studi, infatti, fra una decina di anni le celle bifacciali costituiranno il 90% degli impianti fotovoltaici al silicio. Altre tecnologie che utilizzano il silicio Sempre riguardo al silicio, segnaliamo anche il silicio nanostrutturato (detto anche silicio nero), come alternativa promettente per ridurre al minimo le perdite ottiche nelle applicazioni fotovoltaiche, e il fotovoltaico a film sottile. Questa tipologia di materiale, a livello di principio fotoelettrico, non è differente da quella al silicio cristallino, ma è meno sensibile al cambio di temperatura e rende di più quando esposta a temperature elevate, come il caso di impianti in zone con forte irraggiamento solare. Le celle a film sottile sono ideali per le tegole e sono un’ottima soluzione per installazioni sui tetti di abitazioni ed edifici in zone sottoposte a vincoli paesaggistici, dato che appaiono quasi identiche alle tegole piatte tradizionali. Un impiego certamente interessante dei pannelli a film sottile sono i vetri solari (vetri con pannelli a film sottile) che consentono un buon grado di trasparenza e permettono di ottenere elettricità da ampie superfici vetrate, come nel caso dei grandi palazzi moderni. Nuovi materiali alternativi Un materiale oggetto di studio è la perovskite. Sebbene non siano ancora state commercializzati pannelli con questa tecnologia, gli esperti sono ottimisti che il loro sviluppo, anche in abbinamento ad altri materiali, avverrà in tempi rapidi. Le perovskiti sono infatti una famiglia di materiali, utilizzabili al posto del silicio, che hanno il potenziale per realizzare celle solari a film sottile altamente efficienti con costi di produzione molto bassi. Altra tecnologia promettente, seppure ancora relegata al laboratorio, è il fotovoltaico organico, su cui i progressi hanno dimostrato un’efficienza di conversione in energia che ha raggiunto quasi il 20%. A differenza delle celle solari cristalline tradizionali che utilizzano il silicio come assorbitore, quelle organiche utilizzano un polimero o una piccola cellula molecolare a base di carbonio. Ciò consente la creazione di una soluzione estremamente leggera, flessibile e sottilmente filmata. Con questa struttura, le celle fotovoltaiche organiche sono molto più durevoli rispetto alle celle solari tradizionali. In ultimo citiamo le celle solari sensibilizzate con coloranti (DSSC), dette anche celle di Graetzel, perché di significativo interesse grazie alla loro economicità e al potenziale di elevate efficienze di conversione. Queste celle sono costituite da multistrati di materiali che permettono l’assorbimento dei fotoni e la loro trasformazione in energia elettrica. Cuore del sistema è uno strato di semiconduttore inorganico che presenta la duplice funzione di ricevitore degli elettroni ad alta energia, generati dal colorante organico in seguito all’assorbimento di fotoni, e di supporto. Quale sostenibilità del fotovoltaico futuro? Per valutare i vantaggi o identificare i potenziali problemi del solare fotovoltaico è necessario considerare tutte le fasi del settore fotovoltaico, dall’estrazione delle materie prime alla fine del ciclo di vita. Con il rapido aumento previsto di nuove installazioni fotovoltaiche e lo smantellamento dei moduli più vecchi nel prossimo decennio, gli sforzi di ricerca e sviluppo devono ridurre al minimo l’impatto ambientale della produzione fotovoltaica, pianificare il riciclaggio del fotovoltaico e la gestione dei rifiuti a livello globale. Nell’ultimo decennio, la filiera di fornitura globale del fotovoltaico si è spostata in Cina, che rappresenta oltre l’80% della produzione mondiale. Nella gestione del fine vita del fotovoltaico, però, le norme più stringenti per lo smaltimento dei rifiuti da fotovoltaico sono in Europa e in alcuni stati USA. Si renderebbero quindi necessari ulteriori sforzi a livello globale per garantire che i rifiuti fotovoltaici vengano riciclati e che gli impatti ambientali siano ridotti al minimo, se lo smaltimento in discarica dovesse essere l’unica opzione. Ecco, quindi, che combinare i principi dell’economia circolare al fotovoltaico è un obiettivo primario per la sostenibilità a lungo termine. Per approfondire il tema dello smaltimento e del riciclo dei pannelli, rinviamo al nostro articolo “Lo smaltimento dei pannelli fotovoltaici e riciclo: da rifiuto a risorsa”.
