Una breve discussione sui tipi di celle solari

L'energia solare un tempo era prerogativa di astronavi avanzate e di alcuni gadget sofisticati, 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 costantemente 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 tutti i nostri bisogni energetici.

Nella prima metà del 2023, la produzione di energia solare ha rappresentato il 5,77% della produzione totale di energia degli Stati Uniti, in aumento rispetto al 4,95% del 2022.

[2] Sebbene i combustibili fossili (principalmente gas naturale e carbone) rappresenteranno fino al 60,4% della produzione di energia elettrica degli Stati Uniti nel 2022,

[3] Ma la crescente influenza dell’energia solare e il rapido sviluppo della tecnologia dell’energia solare meritano attenzione.

 

Tipi di celle solari

 

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 hanno i loro vantaggi in termini di efficienza, costo e durata.

 

01 cristallo

La maggior parte dei pannelli solari sui tetti delle case sono realizzati in silicio monocristallino ad alta purezza. Questo tipo di batteria ha raggiunto un'efficienza di oltre il 26% e una durata di servizio di oltre 30 anni negli ultimi anni.

[4] L'attuale efficienza 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 superficie.

 

Celle solaribasate sulla tecnologia multi-giunzione all'arseniuro di gallio (GaAs) sono più efficienti delle celle solari tradizionali. Queste celle hanno una struttura multistrato e ogni strato utilizza un materiale diverso, come il fosfuro di indio e gallio (GaInP), l'arseniuro di indio e gallio (InGaAs) e il germanio (Ge), per assorbire diverse lunghezze d'onda della luce solare. Sebbene si preveda che queste celle multi-giunzione raggiungano elevate efficienze, soffrono ancora di elevati costi di produzione e di una ricerca e sviluppo immatura, il che ne limita la fattibilità commerciale e le applicazioni pratiche.

 

02 pellicola

Il mainstream dei prodotti fotovoltaici a film sottile nel mercato globale è costituito da moduli fotovoltaici al tellururo di cadmio (CdTe). Milioni di tali moduli sono stati installati in tutto il mondo, con una capacità di generazione di potenza di picco di oltre 30 GW. Sono utilizzati principalmente per la generazione di energia su scala di pubblica utilità negli Stati Uniti. fabbrica.

 

In questa tecnologia a film sottile, un modulo solare da 1 metro quadrato contiene meno cadmio di una batteria al nichel-cadmio (Ni-Cd) di dimensioni AAA. Inoltre, il cadmio 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 dell'uso 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 significativamente il costo di un modulo di tellururo di cadmio. Tuttavia, è possibile alleviare questo problema tramite 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 ai cristalli.

 

03Tecnologie emergenti

 

Le tecnologie fotovoltaiche emergenti che utilizzano pellicole 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 silicio, tellururo di cadmio e arseniuro di gallio.

 

[6]In questo campo sono note tre tecnologie a film sottile: solfuro di rame, zinco e stagno (Cu2ZnSnS4 o CZTS), fosfuro di zinco (Zn3P2) e nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT). In laboratorio, le celle solari al seleniuro di rame, indio e gallio (CIGS) hanno raggiunto un'impressionante efficienza di picco 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 di 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 perovskite hanno raggiunto efficienze simili a quelle delle celle a film sottile di tellururo di cadmio esistenti. Nella prima ricerca e sviluppo delle batterie perovskite, la durata di vita era un grosso problema, così breve che poteva essere calcolata solo in mesi.

Oggi, le celle perovskite hanno una durata di servizio di 25 anni o più. Attualmente, i vantaggi delle celle solari 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.

 

Pannelli solari integrati nell'edificio

 

Alcune celle solari sono progettate per catturare solo una porzione dello spettro solare, consentendo il passaggio della luce visibile. Queste celle trasparenti sono chiamate celle solari sensibilizzate a coloranti (DSC) e sono nate in Svizzera nel 1991. I nuovi risultati di R&S degli 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 in strati di policarbonato di vetro. Le nanoparticelle in questa tecnologia spostano parti specifiche dello spettro verso il bordo del vetro, consentendo alla maggior parte dello spettro di passare. La luce concentrata sul bordo del vetro viene quindi sfruttata dalle celle solari. Inoltre, è attualmente in fase di studio la tecnologia per l'applicazione di materiali a film sottile di perovskite a finestre solari trasparenti e pareti esterne di edifici.

 

Materie prime necessarie per l'energia solare

Per aumentare la produzione di energia solare, aumenterà la domanda di estrazione di materie prime importanti come silicio, argento, rame e alluminio. Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti afferma che circa il 12% del silicio di grado metallurgico (MGS) del mondo viene trasformato in polisilicio per pannelli solari.

 

La Cina è un attore importante in questo campo: nel 2020 ha prodotto circa il 70% dell'MGS mondiale e il 77% della sua fornitura di polisilicio.

 

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 la delocalizzazione forzata delle comunità locali.

 

Anche l'estrazione di rame e alluminio pone sfide all'uso del territorio. L'US Geological Survey rileva che il Cile rappresenta il 27% della produzione globale 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'uso globale di energia rinnovabile raggiungerà il 100% entro il 2050, la domanda di rame da progetti solari quasi triplicherà.

[13]Conclusion

 

L'energia solare diventerà un giorno la nostra principale fonte di energia? Il prezzo dell'energia solare sta calando e l'efficienza sta migliorando. Nel frattempo, ci sono molti percorsi diversi per la tecnologia solare tra cui scegliere. Quando identificheremo una o due tecnologie e le faremo funzionare davvero? Come integrare l'energia solare nella rete?

 

L'evoluzione dell'energia solare da specialistica a mainstream evidenzia il suo potenziale di soddisfare e superare le nostre esigenze energetiche. Mentre le celle solari cristalline attualmente dominano il mercato, i progressi nella tecnologia a film sottile e le 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 di materie prime e i colli di bottiglia nella produzione, ma dopotutto è 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 più abbondante. Per questo motivo, mostrerà una crescita significativa nel mix energetico degli Stati Uniti e si prevede che diventerà una soluzione sostenibile globale.