Nuove tecnologie per un mondo sempre più green: celle solari di ultima generazione

La sfida dei ricercatori di tutto il mondo per migliorare l’efficienza dei dispositivi fotovoltaici

Parola d’ordine: energia rinnovabile. Come vi abbiamo raccontato in un precedente articolo, una delle sfide più difficili ma al contempo stimolanti è la ricerca di fonti di energia rinnovabili che garantiscano l’indipendenza dai combustibili fossili, soddisfacendo al contempo la richiesta energetica mondiale.

Sulla Terra sono numerose le fonti di energie rinnovabili. Si pensi ad esempio al vento, alle maree, alle onde, ai nuclei radioattivi, ecc.; ma ce n’è una, proveniente dallo spazio, che se sfruttata a dovere può risultare promettente: l’energia solare.

Il Sole, quotidianamente, grazie alle reazioni nucleari che avvengono al suo interno, invia sulla Terra una quantità spaventosa di radiazioni. È stato calcolato che ogni giorno il Sole irradia alle soglie dell’atmosfera terrestre, in media, 1367 W/m² di potenza, che può essere raccolta e convertita in energia elettrica. Per ottenere questa conversione, bisogna tenere conto di diversi fattori:

• Climatici, come la copertura nuvolosa: le nuvole bloccano parte della radiazione solare;
• Geografici, come la latitudine: all’equatore l’energia solare raccolta sarà maggiore che ai poli;
• Tecnologici, ovvero l’efficienza di raccolta delle celle solari, che sarà l’oggetto di discussione di questo articolo.

Andremo quindi a vedere com’è strutturata una cella solare, come funziona e quali sono le recenti innovazioni nel settore.

CELLE SOLARI – INFORMAZIONI PRELIMINARI

Le più comuni celle solari sono realizzate in Silicio, uno dei più abbondanti materiali presenti nella crosta terrestre, appartenente alla classe dei semiconduttori e, in assoluto, il re indiscusso dell’elettronica. Infatti gli hardware dei più comuni dispositivi tecnologici, dallo smartphone al computer, dalla televisione alla lavatrice, sono realizzati con questo importante materiale semiconduttore.

Ma quali sono le proprietà del Silicio, che permettono alle celle solari di convertire l’energia solare in elettrica?

Addentrandoci un po’ più a fondo nella fisica della materia, apprendiamo come i solidi abbiano tutti una struttura definita “a bande”: banda di valenza (nella quale sono presenti gli elettroni legati ai nuclei) e banda di conduzione (nella quale sono presenti gli elettroni non legati ai nuclei che permettono, dunque, la conduttività). In base a come queste sono disposte, possiamo distinguere conduttori, semiconduttori ed isolanti.

• Nei conduttori, banda di valenza e banda di conduzione sono sovrapposte: ciò permette agli elettroni di poter facilmente “slegarsi” dai nuclei e passare in banda di conduzione, in modo da consentire il passaggio di elettricità.
• Negli isolanti, invece, non vige questa proprietà, poiché gli elettroni sono fortemente legati ai nuclei e quindi è difficile il loro passaggio dalla banda di valenza alla banda di conduzione.
• Nei semiconduttori, che altro non sono che una via di mezzo tra conduttori e isolanti, le bande di valenza e di conduzione sono energeticamente distanti tra loro, ma in modo da non rendere troppo difficile il passaggio di un elettrone dall’una all’altra banda.

Struttura a bande

Ma quindi, nelle celle solari come avviene la conversione dell’energia solare in energia elettrica?

Quando un fotone (particella di luce) raggiunge la cella solare, un elettrone in banda di valenza assorbe la sua energia e raggiunge la banda di conduzione, lasciando una lacuna (vacanza di un elettrone) in banda di valenza. Grazie ad un sistema esterno, gli elettroni che raggiungono la banda di conduzione vengono raccolti e utilizzati per l’alimentazione domestica.

Questa conversione presenta, però, una serie di problematiche. Le più importanti sono:

• la riflessione: alcuni fotoni incidenti vengono riflessi dagli strati superficiali della cella solare;
• l’efficienza di ricezione dei fotoni: non tutta la luce che raggiunge le celle solari viene raccolta;
• la ricombinazione: molti degli elettroni che raggiungono la banda di conduzione si ricombinano con le lacune, cioè tornano in banda di valenza, rendendo quindi nulla la raccolta dei fotoni che li ha generati.

Al fine di ottimizzare questi dispositivi, i fisici hanno incentrato la loro ricerca sul miglioramento dell’efficienza di ricezione, evitando il più possibile la ricombinazione.

Negli ultimi anni, sono stati realizzati diversi tipi di celle solari, ognuna di loro con le proprie peculiarità e limitazioni. Andremo ora a descrivere il funzionamento di alcune di esse.

CELLE SOLARI ETEROGIUNZIONE

Le celle solari eterogiunzione, tra tutti i dispositivi fotovoltaici, sono tra le più promettenti. Sono composte da strati di diverso materiale, aventi quindi diversi energy gap (ovvero l’apporto energetico che necessita un elettrone per passare dalla banda di valenza a quella di conduzione). I suddetti strati vengono impilati, in genere, partendo da quello con energy gap maggiore sulla superficie fino ad arrivare a quello con energy gap minore; questa struttura permette alle celle solari di prendere la maggior parte dei fotoni, tutti con energie diverse, compresi nello spettro solare.

Pannelli fotovoltaici eterogiunzione

Al Liten, uno degli istituti di ricerca della francese Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives, sono state prodotte delle celle solari eterogiunzione con un picco dell’efficienza di conversione (la capacità del processo di ricevere un fotone e convertirlo in elettricità) del 24,25%. Questo risultato è stato raggiunto grazie agli sviluppi sugli strati trasparenti di ossido conduttivo e ai sempre minori danni associati al trattamento degli strati durante la produzione. “I test eseguiti confermano che la tecnologia delle celle eterogiunzione in silicio è praticabile sia in termini di tecnologia che di producibilità”, spiegano gli scienziati. I prossimi obiettivi dell’istituto di ricerca sono quelli di diminuire i costi, rendendo le celle fruibili in larga scala, aumentandone l’efficienza.

CELLE SOLARI CON NANOFILI DI SILICIO

Questo tipo di celle solari presenta la superficie coperta da nanofili di Silicio drogati che, grazie alle loro piccolissime dimensioni (alcuni nanometri), riescono a catturare meglio i fotoni incidenti mediante le loro proprietà quantistiche.

Gaute Otnes, Lund University

Ad oggi questi dispositivi non sono fruibili sul mercato, ma i ricercatori le considerano comunque molto promettenti, nonostante ai pro si contrappongano anche diversi contro: se è vero che queste celle solari sono molto poco dispendiose e occupano meno spazio rispetto alle celle solari comuni, è anche vero che alcuni meccanismi non si conoscono ancora alla perfezione (come per esempio la fase di drogaggio dei nanofili) ed inoltre l’efficienza non è ancora elevatissima rispetto ad altre tecnologie.

CELLE SOLARI ORGANICHE

Le celle solari organiche si ispirano al processo naturale della fotosintesi clorofilliana. Sono composte da tutti quei dispositivi fotovoltaici realizzati tramite l’utilizzo di composti organici, ovvero in base carbonio. La loro struttura è composta a strati realizzati con materiali fotoattivi, intercalati tra due elettrodi conduttivi, ed un substrato composto da vetro o plastica flessibile.

In questa figura possiamo notare la flessibilità delle celle solari organiche

Le miscele di materiali che compongono gli strati presentano dei pigmenti che hanno il compito di assorbire la radiazione solare, mentre gli altri componenti estraggono gli elettroni. La gamma di pigmenti che possono essere impiegati include quelli a base vegetale, come le antocianine derivate dai frutti di bosco, i polimeri e le molecole sintetizzate.

In questa famiglia di celle solari si possono annoverare: le celle “dye sensitized” (la cui parte fotoelettricamente attiva è costituita da un pigmento, da ossido di titanio e da un elettrolita), organiche (la cui parte attiva è totalmente organica o polimerica), ibride organico/inorganico e ibride biologico.

L’efficienza di queste celle solari non permette ancora un largo utilizzo nel settore privato, ma in prospettiva possono essere molto promettenti grazie alle loro caratteristiche “green”: infatti, i pigmenti naturali sono facilmente biodegradabili e i costi di produzione sono molto ridotti rispetto alle normali celle solari.

CELLE SOLARI CON PEROVSKITI

Il gruppo di ricerca guidato da Steve Albrecht e Bernd Stannowski ha prodotto, presso i laboratori dell’Helmholtz Center di Berlino (HCB), una cella solare tandem realizzata con due semiconduttori, Silicio e Perovskite, che ha raggiunto una efficienza del 29,15%. Questo valore, confermato dal CalLab del Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (ISE), risulta essere tra i più alti mai raggiunti nel campo del fotovoltaico.

Cella solare Silicio-Perovskite

La struttura Silicio-Perovskite possiede una tale efficienza grazie alle proprietà elettroniche dei due materiali: infatti il Silicio cattura i fotoni meno energetici, mentre la Perovskite raccoglie i fotoni ad energia maggiore. In tal modo la cella solare riesce a coprire la quasi totalità dello spettro solare, massimizzando l’efficienza.

Nonostante gli ottimi risultati sperimentali raggiunti dalle celle solari Silicio-Perovskite, i costi non le rendono ancora competitive a livello industriale.

CONCLUSIONI

Negli ultimi anni, sempre più gruppi di ricerca si stanno impegnando per migliorare le caratteristiche delle celle solari al fine di ottenere una larga scalabilità, senza venir meno alle esigenze riguardo l’efficienza. I risultati ottenuti fino ad ora sono molto promettenti e stimolanti, sebbene ancora le celle solari non siano tra i dispositivi più efficienti per la produzione di energia rinnovabile.

Nei prossimi articoli vedremo altri esempi di energie rinnovabili e dispositivi per il loro utilizzo.

Giovanni Gallo

Giulia Accetta