Come è possibile arrivare a moduli fotovoltaici con costi di fabbricazione < a 0,5 ?/Wp? L'Enea risponde

La Ricerca di Sistema Elettrico e un accordo di programma stipulato fra l'ENEA -Agenzia Nazionale per le Nuove Tecnologie, l' Energia e lo Sviluppo Economico Sostenibile- e il MSE -Ministero dello Sviluppo Economico- nel triennio 2012-2014. Tutte le attività di ricerca portate avanti nell'Accordo sono finanziate dai contributi per la ricerca-sviluppo e gli obiettivi principali sono:

• ottimizzare la sicurezza del sistema e la qualità del servizio,

• minimizzare l'impatto di tutto il sistema elettrico sull'ambiente e la salute affinché vi sia un utilizzo più controllato delle risorse energetiche e uno sviluppo sostenibile per l'Italia,

• ridurre il costo dell'energia elettrica per gli utenti finali.

Gli stessi obiettivi e gli stanziamenti economici vengono definiti attraverso dei Piani che devono essere approvati dal Ministero dello Sviluppo Economico e predisposti dal Comitato di Esperti di Ricerca per il Settore Elettrico, sotto parere dell'Autorità per l'Energia Elettrica e il Gas, del Ministero dell'Istruzione dell'Università e della Ricerca, del Ministero dell'Ambiente e della tutela del Territorio e del Mare e della Cassa Conguaglio per il Settore Elettrico. Per quanto concerne l'attuazione dei progetti di ricerca il MSE stipula invece degli Accordi di Programma con Enea, Cnr e Rse s.p.a.

Fra i vari progetti di ricerca viene introdotto anche il fotovoltaico. Come ormai noto infatti, il fotovoltaico è una delle tecnologie di produzione d'energia pulita più diffuse e utilizzate al mondo, ma sopratutto in Italia. Difatti, nell'arco degli anni la sua produzione di energia si è più che raddoppiata: basti pensare che è passato da una generazione di energia elettrica pari a 1,9 TWh nel 2010 a 19 TWh nel 2012 (triennio fra i più importanti per lo stesso fotovoltaico). L'Enea, ma non solamente lei, sottolinea poi che a fare da traino per il settore rinnovabile è l'energia prodotta da fonti intermittenti come sopratutto fotovoltaico e eolico che potrebbero superare i 90 TWh nel 2030 e i 200 TWh nel 2050 (rispettivamente il 33% e il 54% della produzione totale lorda).

(Come varia la generazione elettrica netta da FER in FWh in paragone al trascorrere degli anni. Fonte immagine: ENEA.) 

Partendo da questo presupposto gli studi portati avanti dall'Enea all'interno della Ricerca di Sistema Elettrico sono finalizzati a ridurre i costi di fabbricazione dei moduli fotovoltaici a valori < o al più = a 0,5 €/Wp per rendere maggiore la diffusione del fotovoltaico prescindendo dai vari incentivi presenti sul mercato. Essenzialmente, le attività d'indagine prevedono lo sviluppo di celle solari a film sottile basate su semiconduttori inorganici e organici. Gli obiettivi principali, secondo lo stesso report pubblicato dall'Enea, sono:

• sviluppare materiali e architetture di dispositivo per celle solari tandem micromorfe,
• sviluppare TCO ad alta efficienza di confinamento ottico per celle a film sottile di silicio,
• sviluppare celle a film sottile di silicio cristallino,
• sviluppare materiali e celle a film sottili policristallini a base di Cu2ZnSnS4,
• sviluppare celle organiche.

(Impianto utilizzato per la fabbricazione di materiali e celle solari a film sottile in silicio. Fonte immagine: ENEA.)

Questo perché le tecnologie fotovoltaiche basate su film sottili di materiale semiconduttore hanno grandi potenzialità di riduzione di costo poiché a differenza degli attuali moduli a film sottile, prodotti grazie all'utilizzo di materiali scarsamente disponibili, risultano essere reperibili in maniera molto più facile e tra l'altro garantiscono prodotti molto più efficienti. Da qui l'esigenza di sperimentare e ottimizzare nuovi moduli a film sottile di silicio e celle solari a base di silicio "micromorfe".

 Per quanto riguarda i risultati, più che numerici, si può parlare di sperimentazioni messe realmente in opera:

• per lo sviluppo di celle a film sottile di silicio il primo step è stato caratterizzato dalla realizzazione di film drogati di tipo p a base di ossido di silicio microcristallino con tecnica ad alta frequenza ==> questi strati nuovi e innovativi viste le proprietà ottiche hanno innalzato in termini di corrente di corto circuito le prestazioni della cella.
• per la parte frontale della cella, contemporaneamente allo sviluppo di ossidi trasparenti conduttivi (TCO) testurizzati, sono stati pensati dei processi di strutturazione del vetro, utilizzando due tecniche: la nanostrutturazione auto-organizzata tramite Proiezione Ionica Litografica (IPL) e l'Aluminium Induced Texture (AIT) ==> i dispositivi fabbricati sui substrati nanostrutturati hanno mostrato una risposta spettrale molto più elevata e di conseguenza una corrente di corto circuito più alta, rispetto a quella misurata sul substrato non trattato.
• per massimizzare l'assorbimento della luce nei dispositivi sono stati progettati riflettori posteriori multistrato in configurazione aperiodica, ottenuti alternando strati di silicio amorfo e nitruro di silicio.
• per la realizzazione di griglie metalliche su diversi tipi di TCO si sono ideati processi di screen printing a bassa temperatura di sintering e a bassa resistività specifica di contatto ==> efficienze di conversione fotovoltaica comprese fra il 16 % e il 22%.
• per la realizzazione delle celle solari a film sottili policristallini di Cu2ZnSnS4 si è pensato un processo di crescita del CZTS per co-sputtering ==> efficienza massima dispositivo pari al 5,6%.

(Impianto per il co-sputtering di solfuri binari. Fonte immagine: ENEA)

  
(Impianto per il co-sputtering di solfuri in linea. Fonte immagine: ENEA)

In conclusione si può affermare che gli studi portati avanti possono avere un buon riscontro pratico, ma devono ancora essere perfezionati. Certo è che queste nuove tecnologie fotovoltaiche, oltre a essere più competitive dal punto di vista di costi e prestazioni energetiche, eleverebbero l'efficienza energetica degli impianti con processi di fabbricazione meno complessi e impattanti sull'ambiente.