Fotovoltaico a film sottile: caratteristiche, pro e contro

I pannelli solari fotovoltaici sono sempre più diffusi sui tetti delle nostre case. Appaiono come grandi rettangoli neri o bluastri, ricoperti da una lastra di vetro. Apparentemente sono tutti uguali, ma in realtà non è così. Esistono infatti diverse tecnologie per fabbricare i pannelli fotovoltaici, ciascuna con pregi e difetti. La maggior parte degli impianti impiega pannelli fatti con silicio cristallino (monocristallino oppure policristallino), ma esiste anche un’altra tecnologia molto promettente, chiamata a film sottile (thin film).

Come sono fatti i pannelli a film sottile

A livello di principio fotoelettrico, non ci sono differenze rispetto al silicio cristallino: nel materiale semiconduttore, opportunamente drogato con diverse sostanze, gli elettroni sono messi in movimento dai fotoni della luce solare. Questi elettroni costituiscono una corrente che può essere raccolta e immessa nel circuito elettrico a cui il pannello è collegato.
Quello che cambia è l’elemento fotosensibile, steso su un supporto rigido o flessibile (vetro, metallo, plastica). Una delle caratteristiche più interessanti di questa tecnologia è l’impiego molto limitato di materiale fotosensibile, fatto che consente di contenere i costi di produzione.
L’elemento fotosensibile può essere costituito da tellururo di cadmio (CdTe), seleniuro di rame indio gallio (CIGS), silicio amorfo (a-Si), arseniuro di gallio (GaAs). Ciascuno di questi materiali ha pregi e difetti. Vediamoli in dettaglio.

Tellururo di cadmio (CdTe)

Il materiale fotosensibile è costituito da uno strato di tellururo di cadmio drogato p unito a un layer di solfuro di cadmio (CdS) drogato n. Al posto di quest’ultimo è possibile usare ossido di magnesio zinco (MZO). Questi materiali sono depositati sul substrato tramite sublimazione. Celle fatte con questo sistema hanno raggiunto un’efficienza del 19%, ma in laboratorio sono stati ottenuti valori fino al 22,1%.
Questa tecnologia ha oggi una diffusione del 5,1% a livello mondiale, seconda solo a quella del silicio cristallino (che ha uno share del 90,9%). Il costo medio di un pannello CdTe è di circa 0,40 dollari/W.

Seleniuro di rame indio gallio (CIGS)

Come per il CdTe, lo strato fotosensibile delle celle CIGS è costituito da una eterogiunzione p-n di due layer, quello p fatto con CIGS, l’altro n con CdS, depositato tramite bagno chimico. I pannelli a film sottile CIGS sono molto usati nel settore spaziale, per via della loro elevata resistenza a temperature estremamente basse e alla loro buona efficienza anche con poca luce. I pannelli prodotti da Solar Frontier dal 2019 hanno un’efficienza del 23,4%. Da notare che teoricamente questa tecnologia potrebbe raggiungere il 33% di efficienza di conversione. Il costo medio è di circa 0,60 dollari/W, superiore agli altri materiali, ma nel prossimo futuro il prezzo potrebbe scendere, grazie al miglioramento dei processi produttivi. La tecnologia CIGS ha il 2% della diffusione nel mercato fotovoltaico.

Silicio amorfo (a-Si)

Questa tecnologia è stata finora problematica da sviluppare, principalmente a causa della bassa efficienza (per ora ferma al 14%) e della fragilità del materiale. A differenza degli altri tipi di film, i moduli basati sul silicio amorfo sono costituiti da una configurazione p-i-n oppure n-i-p, ovvero da due strati n, p separati da un semiconduttore di tipo i (intrinseco). Sebbene il materiale principale – il silicio – sia relativamente economico e per di più usato in piccole quantità, il costo delle celle in silicio amorfo è elevato, principalmente a causa sia del costo del supporto in vetro, che deve subire processi particolari per diventare conduttivo, sia della lentezza del processo produttivo. Il prezzo attuale è intorno a 0,69 dollari/W. I pannelli in silicio amorfo hanno il 2% di share a livello mondiale.

Arseniuro di gallio (GaAs)

Il processo produttivo del GaAs è più complesso e costoso degli altri appena descritti, perché è necessario far crescere il materiale tramite successivi passaggi di evaporazione sotto vuoto tramite fascio elettronico. Inoltre per i substrati e i conduttori sono impiegati metalli costosi come oro, platino, titanio.
Grazie a una struttura multigiunzione III-V, le celle GaAs possono raggiungere efficienze teoriche fino a 39,2%, ma in applicazioni reali questo valore è del 29,1%. I costi produttivi molto elevati hanno finora impedito la diffusione di questa tecnologia nel settore del fotovoltaico terrestre, limitandola al campo spaziale. Il prezzo per watt oscilla tra 70 e 170 dollari.

Le differenze tra le tecnologie silicio cristallino e film sottile

Facendo riferimento alla tabella qui sotto, la prima differenza che salta all’occhio tra le diverse tecnologie è di quanto la variazione di temperatura modifichi l’efficienza. Il silicio cristallino è più sensibile al cambio di temperatura: i pannelli fatti con questa tecnologia rendono di meno quando sono esposti a temperature elevate, come è il caso di impianti in zone desertiche con forte irraggiamento solare.
Importante è anche l’efficienza nominale di conversione. Il film sottile GaAs offre l’efficienza più elevata, ma i costi per watt sono proibitivi. Il silicio cristallino, invece, ha un ottimo rapporto efficienza/costo, caratteristica che rende questa tecnologia ottima per applicazioni residenziali, commerciali e industriali. Non è un caso, infatti, che il silicio cristallino goda di oltre il 90% di diffusione nel settore fotovoltaico.
Il silicio cristallino è più economico per watt del film sottile, ma se si prendono in considerazione il coefficiente termico e la maggiore longevità dei pannelli a film sottile, questi ultimi possono essere una scelta migliore per installazioni destinate a durare nel tempo.

Quando è meglio usare i pannelli a film sottile

In alcune applicazioni, i pannelli a film sottile sono una valida alternativa a quelli in silicio cristallino.

Integrazione negli edifici

Le celle a film sottile sono ideali per le tegole solari e i vetri solari. Le prime sono ottime per installazioni sui tetti di abitazioni ed edifici in zone sottoposte a vincoli paesaggistici, dato che appaiono quasi identiche alle tegole piatte tradizionali. I vetri solari consentono un buon grado di trasparenza e permettono di ottenere elettricità da ampie superfici vetrate, come è il caso dei grandi palazzi commerciali moderni. In entrambe le applicazioni l’efficienza non è pari a quella ottenibile con un pannello fotovoltaico a film sottile standard, ma è comunque sufficiente a rendere interessante ed economicamente valida una soluzione di questo tipo.

Pannelli solari portatili

Il film sottile è molto leggero e quindi si presta bene quando è importante contenere il peso del pannello. Il mercato offre numerosi prodotti costituiti da pannelli pieghevoli e portatili, utilizzabili in località remote e isolate, in vacanza, in montagna, ovunque siano disponibili pochi metri quadri di terreno per esporli al sole.

Centrali fotovoltaiche

Sebbene il rapporto efficienza/costo sia attualmente a favore del silicio cristallino, i pannelli a film sottile vantano una longevità e un coefficiente termico migliori. Due caratteristiche che li rendono molto interessanti per le grandi centrali fotovoltaiche, destinate a durare decine di anni e magari situate in località soggette ad alte temperature.

Veicoli terrestri e marini

Le celle a film sottile sono, appunto, molto sottili e flessibili, ben adatte a essere applicate su superfici curve come i tetti dei veicoli (automobili elettriche, camper, autobus) e i ponti delle imbarcazioni. Questi pannelli fotovoltaici non modificano l’aspetto estetico né quello aerodinamico delle superfici dei veicoli sulle quali sono stesi.

Veicoli spaziali

Le tecnologie CIGS e GaAs sono la scelta ideale quando è necessario avere superfici fotovoltaiche estremamente leggere, molto efficienti, resistenti sia a forti sbalzi di temperatura sia alle radiazioni. Ecco perché, nonostante il loro costo elevato, questi tipi di celle sono usate nel caso di satelliti e di veicoli spaziali.

Gli sviluppi più recenti: celle leggere e flessibili del MIT, celle HJT di Enel Green Power

Nel dicembre 2022 un gruppo di ricercatori del MIT ha reso pubblico un nuovo metodo per costruire celle fotovoltaiche ultra sottili e flessibili, basate sulla tecnologia a film sottile. Queste celle possono essere unite a diversi tipi di superfici, sia rigide sia pieghevoli. Sono fabbricate con un sistema che ha molti punti in comune con le diffuse stampanti a getto di inchiostro, dato che sono fatte con nanomateriali spruzzati in forma liquida su un substrato temporaneo. Una volta completato il processo di costruzione, le celle, spesse 15 micron, sono staccate e poi incollate sul supporto finale in Dyneema, un tessuto sintetico flessibile, estremamente resistente e che pesa solo 13 grammi per metro quadrato. Il prodotto è poi applicabile su superfici rigide oppure flessibili, come pannelli solari pieghevoli, vele di imbarcazioni, tende per campeggio e installazioni di emergenza, ali di droni.

Le celle possono generare 370 watt per chilogrammo, un valore circa 18 volte più grande di quello delle celle convenzionali. Il materiale è anche molto resistente: dopo essere stato arrotolato e srotolato più di 500 volte, mantiene più del 90% della sua efficienza iniziale.

Il team di ricercatori è al lavoro per trovare una soluzione ottimale per proteggere queste celle dagli agenti atmosferici, dato che il ricorso alle classiche e pesanti lastre di vetro annullerebbe il vantaggio del nuovo prodotto in termini di potenza/peso. Lo sviluppo di queste celle è finanziato in parte dall’italiana Eni tramite il MIT Energy Initiative, dal U.S. National Science Foundation e dal Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada.

© Fraunhofer ISE

Enel Green Power ha reso pubblico il risultato del progetto di ricerca 3Sun 2.0: il nuovo pannello fotovoltaico HJT (Hetero Junction Technology). L’elemento fotosensibile contenuto nelle celle deriva dalla tecnologia multi etero giunzione di silicio amorfo e cristallino a film sottile, adatta alla costruzione di pannelli bifacciali.

Secondo Enel Green Power, la tecnologia HJT garantisce elevate prestazioni e un ridotto degrado del modulo fotovoltaico. L’efficienza di conversione luce-energia è di circa il 20%, ma nel febbraio 2020 l’azienda ha dimostrato che l’efficienza della cella solare prodotta su scala industriale può raggiungere e superare il 24,5%. Ogni modulo HJT ha una potenza di compresa tra 370 e 400 W, che l’azienda conta di aumentare nel prossimo futuro. La struttura bifacciale permette una produzione di energia maggiore del 15 – 20% rispetto ai pannelli tradizionali mono-facciali. Per quanto riguarda la durata e l’efficienza ad alte temperature, HJT ha una longevità superiore a 30 anni e un coefficiente termico ridotto, tale da garantire un’elevata produzione di corrente anche con alte temperature esterne.

Pannelli a film sottile: pro e contro

In definitiva, possiamo riassumere gli aspetti positivi e negativi della tecnologia a film sottile.

Pro

• Elevata resistenza al degrado con il passare del tempo
• Perdita di efficienza inferiore con l’aumentare della temperatura di funzionamento
• Ottima efficienza nel caso di alcuni tipi di film sottile (CdTe, CIGS e in particolare GaAs)
• Elevate potenzialità di miglioramento in termini di efficienza di conversione
• Consumo molto ridotto di materiale per la fabbricazione
• Peso ridotto

Contro

• Maggiore costo per watt
• Disponibilità ridotta a livello di mercato
• Necessità di metrature maggiori per produrre la stessa energia ottenibile con un’installazione in silicio cristallino

La tecnologia a film sottile, sebbene non ancora diffusa come quella del silicio cristallino, ha grandi potenzialità per il prossimo futuro, soprattutto se i suoi costi per watt si abbasseranno. Le celle in silicio cristallino continueranno con ogni probabilità ad avere il maggior share di mercato ancora per parecchi anni, ma è probabile che quelle a film sottile conosceranno una maggiore diffusione nel prossimo decennio.