Pannelli fotovoltaici: le innovazioni offerte dal mercato

I pannelli fotovoltaici sono sempre più presenti sui tetti delle case, degli edifici delle attività commerciali e industriali. Crescono anche i grandi impianti a terra di tipo utility scale, mentre è solo agli inizi lo sviluppo dell’agrivoltaico. Questa diffusione sempre più pervasiva, in Italia e soprattutto nel mondo, è accompagnata da una ricerca continua per migliorare le prestazioni dei moduli fotovoltaici, per quanto riguarda efficienza, longevità, resistenza, estetica.

Nel panorama attuale è possibile individuare alcune macro tendenze che caratterizzano gli sviluppi tecnologici dei pannelli. Qui di seguito li esaminiamo in dettaglio.

I tipi di celle fotovoltaiche

I pannelli sono composti da celle fotovoltaiche e di queste ne esistono vari tipi, basate su differenti tecnologie, ciascuna con i loro pro e contro.

• Silicio monocristallino: queste celle sono riconoscibili per il loro colore blu scuro o nero, e presentano un orientamento uniforme. Offrono un’efficienza energetica che supera il 18% quando esposte alla luce solare perpendicolare. L’elevata efficienza è dovuta al fatto che ogni cella è costituita da un singolo cristallo di silicio, il cui reticolo è continuo, senza interruzioni, così gli elettroni possono scorrere più facilmente. Maxeon con la sua serie 7 vanta un’efficienza del 24%. Trina Solar con i suoi pannelli Vertex S+ N-Type raggiunge efficienze fino a 22,5%, con una struttura dual glass e un prezzo concorrenziale (0,30 euro/watt)
• Silicio policristallino: sono celle costituite da più cristalli di silicio, con orientamenti diversi. I pannelli fotovoltaici realizzati con queste celle hanno un’efficienza leggermente inferiore rispetto al caso precedente, ma sono in grado di sfruttare meglio la luce solare nell’arco dell’intera giornata
• Silicio amorfo idrogenato: appartengono alla categoria dei dispositivi di seconda generazione e i pannelli fotovoltaici realizzati con questo materiale offrono prestazioni superiori e un minore decadimento nel tempo, garantendo un’efficienza energetica elevata
• Seleniuro di rame, indio e gallio (CIGS): sono celle a film sottile, uno dei risultati più avanzati nella ricerca sull’energia solare, e sono spesso adoperate nei pannelli fotovoltaici di ultima generazione. Il materiale utilizzato ha un coefficiente di assorbimento molto elevato tra i semiconduttori utilizzati per le celle solari, consentendo un’efficienza superiore al 21%. Il film sottile può essere steso su plastica flessibile e fogli metallici, per installazioni su superfici curve o complesse
• Tellururo di cadmio (CdTe): si tratta sempre di film sottile, con un’efficienza leggermente inferiore alle altre composizioni chimiche, ma che grazie a un costo competitivo sta conoscendo un buon successo negli impianti utility scale: negli Usa ha già conquistato il 40% di quel settore
• Perovskite: è un minerale a base di biossido di titanato di calcio, con una struttura cristallina altamente regolare. Le celle solari basate su perovskite hanno attratto l’attenzione grazie ai costi di produzione contenuti e all’efficienza elevata. Questo materiale si presta bene a funzionare insieme al silicio, su strati differenti (tandem), così da catturare un più ampio intervallo dello spettro della luce solare e produrre più energia. Attualmente l’efficienza della configurazione tandem raggiunge il 28,6% (33% in laboratorio). L’azienda britannica Oxford PV ha iniziato quest’anno le consegne di pannelli tandem perovskite-silicio

Piste elettriche posteriori e resistenza all’ombreggiatura

Per massimizzare la resa nella conversione della luce solare in elettricità, è importante che la superficie fotosensibile sia la più ampia possibile. Per questo diversi produttori costruiscono i pannelli in modo che le piste conduttive si trovino dietro le celle, una configurazione che migliora non solo le prestazioni ma anche l’estetica, perché la superficie esposta del pannello è totalmente uniforme e scura.

Un altro aspetto importante per tenere alta la produzione di energia è la resistenza all’ombreggiatura parziale, dovuta a sporcizia, foglie, oggetti vicini come comignoli e alberi che proiettano la loro ombra. Per questo si impiegano celle half cut (letteralmente tagliate a metà) e circuiti per collegare le celle più in parallelo che in serie.

I pannelli fotovoltaici AIKO di tipo ABC (All Back Contact) implementano le tecnologie che abbiamo appena descritto e hanno un’efficienza che arriva al 24%. Test condotti da TÜV Nord hanno dimostrato che, con una sola cella solare completamente ombreggiata, i moduli del marchio possono produrre il 30% di energia in più rispetto alla tecnologia tradizionale. Un altro vantaggio di questi pannelli è la limitazione della temperatura di hotspot, così da ridurre il rischio di incendio, in particolare in ambienti ombreggiati.

Resistenza alla grandine

L’aumento del numero e dell’intensità delle perturbazioni estreme sottopone i pannelli fotovoltaici a eventi climatici sempre più pericolosi, primo tra tutti la grandine. Chicchi di ghiaccio oltre misura possono incrinare il vetro frontale, che così lascia passare l’acqua e l’umidità, con conseguente compromissione parziale o totale del modulo. Per sopportare le grandinate più intense servono quindi vetri frontali più resistenti e più spessi.

© Nextracker

Il pannello fotovoltaico Silk Rhino di FuturaSun, dotato di celle monocristalline N-Type da 182 mm ad alta efficienza, ha una struttura particolare per aumentare la resistenza sia meccanica sia alla grandine. Silk Rhino ha un telaio rinforzato sul retro con due aste aggiuntive in alluminio, per sopportare il peso delle nevicate più abbondanti, e un vetro di spessore maggiorato, che non si frattura quando colpito da grossi chicchi di grandine.

I moduli dei vari produttori sono certificati contro la grandine con un test specifico previsto dalla IEC 61215, tuttavia queste norme si basano su esperienze ormai datate, che non contemplano eventi eccezionali come le grandinate viste di recente. I test standard sono eseguiti con sfere di ghiaccio da 25 millimetri, non più rappresentative dei cambiamenti climatici che stiamo vivendo. FuturaSun ha testato con successo il pannello Silk Rhino con sfere di ghiaccio da 45 millimetri, lanciate a 30 m/s (108 km/h).

Moduli bifacciali

Tradizionalmente, un pannello fotovoltaico assorbe la luce solo da un lato, ma per aumentare la quantità di energia generata stanno guadagnando terreno i moduli bifacciali, che sono attivi alla luce su entrambi i lati e quindi sono in grado di produrre più energia a pari dimensione dei moduli. In pratica le celle in un pannello bifacciale sono racchiuse tra due lastre di vetro trasparente, così la luce può colpire le celle fotosensibili da entrambe le direzioni.

Naturalmente, perché i moduli di questo tipo siano efficaci è necessario che siano installati in modo tale che possano captare la luce riflessa dalle superfici posteriori, che non devono essere troppo vicine (altrimenti sarebbero sempre in ombra) e devono essere costituite da materiali chiari e riflettenti, come cemento naturale, ghiaccio, neve. Quindi non vanno montati aderenti ai tetti o alle pareti, ma ben staccati da essi. Funzionano bene come pensiline, recinzioni, nell’agrivoltaico.

Grazie al bifacciale, la produzione di energia può aumentare del 10 – 25%, inoltre la struttura a doppio vetro è più robusta di quelle costituite con un lato in plastica. Di contro, questi pannelli sono più pesanti e più costosi.

SunPower è uno dei principali produttori di moduli fotovoltaici bifacciali. Il modello Performance 6 505 W Silver sfrutta la tecnologia shingled, con le celle collegate in modo simile a un tetto a tegole. Grazie a questa soluzione, i pannelli bifacciali offrono un’affidabilità superiore rispetto ai moduli tradizionali con contatto frontale. La serie Performance 6 raggiunge un’efficienza fino all’8% maggiore rispetto ai modelli della concorrenza, grazie anche a un circuito di collegamento parallelo delle celle che massimizza la produzione di energia anche in condizioni di ombra e sporco.

Pannelli colorati o semitrasparenti

Molti impianti fotovoltaici sono installati sui tetti delle abitazioni, talvolta in zone sottoposte a vincoli architettonici o paesaggistici. In questi casi i moduli devono avere un aspetto il più simile possibile alle superfici su cui sono appoggiati, tipicamente tetti e pareti. Per quanto riguarda i tetti, nel nostro Paese si tratta quasi sempre di tegole in laterizio.

Per soddisfare questa esigenza, i produttori hanno sviluppato modelli con diverse colorazioni, tali da integrarsi nell’ambiente circostante. Quindi non più superfici nere o blu scuro, ma marroni o rosse per edifici storici, verdi per installazioni nella vegetazione, grigie per le architettore moderne.

© FuturaSun 

Esistono anche moduli semitrasparenti, con le celle fotovoltaiche così sottili da poter essere attraversate dalla luce. Il materiale fotosensibile ne cattura quindi solo una parte, lasciando passare il resto. Questi pannelli sono ideali per le superfici vetrate come le finestre, i lucernari e le facciate degli edifici commerciali moderni.

Da notare però che la colorazione comporta una riduzione dell’efficienza, perché i pigmenti assorbono e riflettono parte della luce, che non arriva alle celle fotosensibili. Per quanto riguarda i pannelli semitrasparenti, la luce che li attraversa non dà alcun contributo alla produzione di energia, che quindi risulta minore.

FuturaSun ha a catalogo i moduli fotovoltaici monocristallini colorati Silk Nova Colour, sviluppati proprio per installazioni in zone soggette a vincoli estetici e paesaggistici. Questi pannelli sono disponibili nelle varianti Orange, Red, Silver e Green. I moduli sono composti da 108 celle, con potenze che vanno da 360 a 390 Wp ed efficienze da 17,95 a 18,95%, a seconda della tinta. Da notare che la colorazione non riguarda solo il vetro che ricopre le celle ma anche il telaio e gli accessori necessari per il montaggio.