Alla perenne ricerca di una maggiore efficienza nella conversione della luce solare in energia elettrica, i laboratori e l’industria fotovoltaica stanno sviluppando nuove tecnologie per superare i limiti teorici delle tradizionali celle fotovoltaiche al silicio. Mentre i pannelli convenzionali raggiungono efficienze comprese tra il 15% e il 24%, le nuove tecnologie emergenti stanno aprendo scenari di conversione energetica impensabili fino a pochi anni fa, con prospettive di efficienza che potrebbero toccare il 44% teorico nelle applicazioni commerciali.
Il limite di Shockley-Queisser, formulato nel 1961, stabilisce che una cella solare “ideale” a singola giunzione non può superare un’efficienza massima del 33,7%. Questa barriera fisica, che ha rappresentato per decenni l’orizzonte invalicabile del fotovoltaico al silicio, viene oggi sistematicamente infranta grazie alle tecnologie tandem e ai materiali innovativi che stanno ridefinendo i parametri dell’industria solare.
La rivoluzione delle celle fotovoltaiche tandem perovskite-silicio
La tecnologia tandem rappresenta il principale vettore di innovazione nel fotovoltaico contemporaneo. Combinando strati di perovskite con celle fotovoltaiche al silicio, questi dispositivi sono in grado di catturare e convertire diverse lunghezze d’onda della luce solare in maniera ottimizzata. In pratica, la perovskite (lo strato superiore) assorbe efficacemente la luce blu-verde, mentre il silicio subito sotto converte la componente rossa e infrarossa. LONGi ha stabilito un nuovo record mondiale per l’efficienza delle celle fotovoltaiche tandem silicio-perovskite cristallino: 33,9%, certificato dal National Renewable Energy Laboratory (NREL) degli Stati Uniti.
Il risultato di LONGi segna una pietra miliare significativa, dimostrando che le tecnologie tandem sono ormai mature per superare sistematicamente i limiti teorici delle celle fotovoltaiche tradizionali. L’azienda detiene anche il record mondiale per l’efficienza delle celle a eterogiunzione in silicio, con un impressionante 26,81%, confermando la leadership tecnologica nel settore.
Oxford PV, spin-off dell’Università di Oxford, rappresenta un altro player chiave in questo scenario. I nuovi moduli solari di Oxford PV per installazioni residenziali hanno raggiunto un nuovo record di efficienza, pari al 26,9%. La strategia dell’azienda britannica punta alla commercializzazione su larga scala delle celle fotovoltaiche tandem, con prospettive di lancio commerciale già pianificate per i prossimi anni.
La ricerca accademica continua a spingere i confini della tecnologia. Presso il Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, il gruppo guidato da Juliane Borchert ha utilizzato un nuovo approccio per produrre una cella solare tandem in perovskite e silicio testurizzato da 1 cm2 e con un’efficienza del 31,6%, dimostrando il potenziale di ulteriore sviluppo delle configurazioni tandem.
Scalabilità industriale e sfide produttive
Il passaggio dalla ricerca di laboratorio alla produzione industriale rappresenta la vera sfida per le tecnologie avanzate. I ricercatori hanno calcolato l’efficienza di conversione utilizzando un’area di 1,68 metri quadrati. Il risultato? I moduli Perovskite/Si possono convertire il 25% della luce in elettricità, mostrando una potenza di picco di 421 watt. Questi risultati su superfici significative dimostrano che la scalabilità non compromette necessariamente le prestazioni.
Hanwha QCells, uno dei principali produttori mondiali, ha annunciato piani concreti di industrializzazione. Rispetto alle celle fotovoltaiche al silicio tradizionali, sono più economiche del 20-30% e più efficienti di 1,5 volte. La loro efficienza teorica di conversione della luce può arrivare al 44%. L’azienda coreana punta ad avviare la produzione commerciale entro il 2026, segnalando la maturità tecnica raggiunta dalle tecnologie tandem.
La stabilità a lungo termine rimane tuttavia una questione critica. Le perovskiti, nonostante le eccellenti proprietà ottiche ed elettroniche, presentano ancora sfide legate alla degradazione nel tempo quando esposte a umidità, temperatura e radiazioni UV. Ci sono quindi tante incognite sul fronte della stabilità delle celle fotovoltaiche, aspetto che i produttori stanno affrontando attraverso incapsulamento avanzato e formulazioni chimiche più stabili.
Quantum dot: la frontiera quantistica dell’energia solare
I quantum dot (nanocristalli semiconduttori grandi pochi nanometri) rappresentano una delle tecnologie più promettenti per il superamento dei limiti tradizionali del fotovoltaico. Secondo i dati rilasciati dall’Ekuma Group, e già sottoposti a revisione paritaria, l’efficienza quantica esterna (EQE) – ovvero la generazione e la raccolta di un elettrone per ogni fotone assorbito dalla luce solare – potrebbe superare il 190% (attualmente si attesta al 100%).
Questo risultato teorico, se confermato nella pratica, rivoluzionerebbe completamente il panorama energetico solare. La capacità di generare più di un elettrone per fotone assorbito attraverso i processi di moltiplicazione dei portatori di carica (MEG) potrebbe portare le efficienze complessive oltre l’80% teorico, un valore che trasformerebbe radicalmente l’economia dell’energia solare.
La tecnologia Q.antum di Hanwha QCells rappresenta un’applicazione commerciale dei concetti quantistici. I moduli fotovoltaici Q Cells sono tra i più efficienti, sicuri, affidabili e convenienti sul mercato. La nuova tecnologia Q.antum Power Reflector è l’ultima evoluzione del produttore. Sebbene non si tratti di veri quantum dot, la tecnologia Q.antum sfrutta principi di ottimizzazione quantistica per migliorare la gestione della luce all’interno delle celle fotovoltaiche.
Innovazioni nei materiali e processi produttivi
La ricerca sui materiali avanzati sta producendo soluzioni innovative per migliorare l’efficienza di conversione. Il miglior risultato per la tecnologia a singola giunzione è quello raggiunto dalla University of Science and Technology of China a maggio 2025: una cella solare in perovskite da 0,05 cm2 altamente stabile e con un’efficienza di conversione del 26,7% (dato certificato dal NREL).
Solertix ha sviluppato una tecnologia particolarmente interessante per l’ottimizzazione del fattore di riempimento geometrico (GFF), che raggiunge il 99,6% in mini pannelli solari in perovskite con una superficie di 2,6 cm2 e con efficienza di conversione di potenza del 20,7%. Il GFF è cruciale per massimizzare la superficie attiva dei moduli e ridurre le perdite dovute agli spazi inattivi tra le celle fotovoltaiche.
Le tecnologie a contatto posteriore stanno guadagnando sempre maggiore importanza. La tecnologia a “contatto posteriore interdigitato” (IBC), adottata sin dagli albori da Sunpower e di recente anche da LONGi sembra destinata nel tempo a sostituire quella a contatti frontali, adottata da tutti i principali produttori di moduli a celle fotovoltaiche HJT, TOPcon e PERC.
Sfide tecniche e soluzioni emergenti
Le tecnologie avanzate devono confrontarsi con sfide tecniche specifiche. La stabilità delle perovskiti rimane un tema centrale, con la ricerca focalizzata su incapsulamenti protettivi e formulazioni chimiche più resistenti. I quantum dot richiedono processi di sintesi controllata e compatibilità con i sistemi di produzione esistenti.
L’integrazione delle tecnologie tandem richiede ottimizzazioni complesse dei processi di deposizione degli strati, controllo delle interfacce elettroniche e gestione termica avanzata. La sincronizzazione delle correnti tra gli strati superiori e inferiori rappresenta una sfida significativa per massimizzare le prestazioni complessive.
Verso un futuro fotovoltaico rivoluzionario
Le tecnologie fotovoltaiche avanzate stanno rapidamente trasformando il panorama energetico globale. Con efficienze che superano sistematicamente il 30% e prospettive teoriche oltre il 44%, i pannelli di nuova generazione promettono di rendere l’energia solare la fonte più economica ed efficiente disponibile.
La convergenza tra ricerca accademica avanzata e investimenti industriali su larga scala sta accelerando il trasferimento tecnologico dal laboratorio al mercato. Entro il 2026-2027, i consumatori potranno accedere a pannelli fotovoltaici con efficienze superiori al 25% a prezzi competitivi, rivoluzionando l’economia dell’energia rinnovabile.
Il superamento del limite teorico del silicio non rappresenta più una sfida tecnologica, ma una realtà industriale in rapida evoluzione, destinata a ridefinire completamente il ruolo dell’energia solare nel mix energetico globale.