I moduli tandem spostano i confini del solare
I ricercatori del Fraunhofer ISE hanno sviluppato due moduli solari tandem che superano i limiti fisici della tecnologia convenzionale del silicio. Cosa c'è dietro questo record e dove è davvero utile l'uso di moduli così performanti?
I moduli al silicio oggi presenti sul mercato raggiungono un’efficienza di circa il 20-24% e sono quindi già vicini al limite specifico del materiale del 29,4%. Questo limite è una conseguenza del cosiddetto limite di Shockley-Queisser, che descrive un’efficienza massima del 33,2% in condizioni ideali per le celle solari con un solo strato semiconduttore.
Il motivo risiede nel band gap del materiale: esso determina quali lunghezze d’onda della luce possono essere convertite in elettricità. Se il band gap è troppo grande, i fotoni a onde lunghe vengono persi; se è troppo piccolo, parte dell’energia viene persa come calore. Il silicio non soddisfa esattamente questo optimum teorico, motivo per cui con la tecnologia convenzionale del silicio è possibile ottenere solo aumenti limitati dell’efficienza.
Principio del tandem
Invece di un solo strato semiconduttore, vengono combinati più strati con band gap diversi. Ciascuno di questi strati utilizza una parte diversa dello spettro solare, dalle lunghezze d’onda corte a quelle lunghe. Ciò consente di convertire in elettricità una quantità significativamente maggiore di energia irradiata, superando di fatto il classico limite del singolo strato.
In teoria, con le celle tandem è possibile raggiungere livelli di efficienza superiori al 60%, a seconda della combinazione di materiali e della struttura. La sfida tecnica non sta solo nella scelta dei materiali, ma anche nel trasformarli in un modulo stabile che funzioni in modo affidabile in condizioni reali.
Nel progetto “Vorfahrt” è stato creato un modulo tandem che, secondo il Fraunhofer ISE, raggiunge un’efficienza del 34,2%, attualmente il modulo solare più efficiente al mondo. Si basa su una struttura di semiconduttori III-V a tripla pila su un substrato di germanio, un’architettura originariamente sviluppata per le celle solari spaziali.
Il partner del progetto Azur Space ha adattato le sue celle spaziali allo spettro solare terrestre e le ha scalate per la produzione di moduli. L’azienda Temicon contribuisce con una nanostruttura sulla superficie del vetro che riduce al minimo le perdite di riflessione e quindi apre ulteriori punti percentuali di efficienza.
Il secondo modulo record proviene dal progetto “Mod30plus”. In questo caso, i ricercatori hanno combinato un semiconduttore III-V con il più economico silicio al posto del germanio, ottenendo un’efficienza del 31,3%. La base è costituita da celle tandem III-V/silicio con un’efficienza del 36,1%, che sono state prodotte e interconnesse per la prima volta in una piccola serie presso l’istituto.
La tecnologia III-V/silicio si sta allontanando dal puro status di laboratorio per passare a processi scalabili a livello industriale. Entrambi i moduli superano nettamente il limite fisico dei classici moduli al silicio, pari al 29,4%. Un valore che per molto tempo è stato considerato quasi impossibile da raggiungere.
Valori dei moduli per l’uso pratico
Nel fotovoltaico si distingue tra celle e moduli. Le celle sono misurate in condizioni di laboratorio idealizzate, mentre i moduli sono costituiti da molte celle interconnesse incastonate in vetri e telai. Le superfici inattive, i percorsi dei conduttori e le riflessioni causano perdite inevitabili.
Di conseguenza, le efficienze dei moduli sono sempre inferiori a quelle delle celle, anche nel caso della tecnologia da record di Friburgo. I valori dei moduli sono quindi cruciali per le applicazioni reali, poiché i moduli sono sempre installati su tetti, facciate o veicoli, mai su singole celle.
Quando ogni centimetro quadrato conta
I moduli ad alte prestazioni diventano interessanti quando lo spazio è scarso e costoso. Ad esempio, nel fotovoltaico integrato negli edifici, dove i moduli fungono da elementi di facciata o di tetto, o sui veicoli. Tra i partner del progetto c’è Audi, che sottolinea il potenziale delle applicazioni sui veicoli.
Efficienza per il mercato di massa
Il Fraunhofer ISE sta perseguendo anche un’altra strada in tandem. Moduli in silicio perovskite, sviluppati in collaborazione con Oxford PV, tra gli altri. Un modulo di pieno formato con una superficie di 1,68 m² raggiunge già un’efficienza del 25% ed è stato prodotto su linee di produzione adatte anche alla produzione di massa. Questa tecnologia non mira tanto ai record assoluti quanto a un’ampia penetrazione nel mercato con materiali relativamente economici e dovrebbe essere adatta ai tetti standard in futuro. Anche gruppi di ricerca, tra cui quello di Hong Kong, segnalano celle a base di perovskite con efficienze fino al 40%, il che illustra il dinamismo di questo segmento.