Fotovoltaico da record al 27,25%: l’efficienza teorica, il trucco dei bordi e la dura realtà industriale delle celle “Back-Contact”

Nel mondo dell’energia solare, la teoria termodinamica e la pratica di fabbrica viaggiano spesso su binari paralleli che faticano a incrociarsi. Sulla carta, i wafer di silicio ad alta resistività e leggermente drogati, cioè additivati in altro materie,  offrono un potenziale di efficienza elettrica di gran lunga superiore rispetto agli standard di mercato. Nella realtà industriale, tuttavia, le linee di produzione di massa continuano a preferire i classici wafer cresciuti con il metodo Czochralski, a bassa o media resistività. Il motivo è brutalmente pragmatico: questi ultimi sono meno performanti , ma sono meccanicamente robusti, sopportano lo stress termico e, soprattutto, non si sbriciolano durante il taglio o l’assemblaggio dei moduli.

Tuttavia, l’industria non si ferma. Il colosso cinese Longi, in collaborazione con i ricercatori della Sun Yat-sen University, ha recentemente annunciato un passo avanti che potrebbe colmare questo divario, portando l’efficienza di una cella solare al livello record del 27,25%. La chiave di volta? Aver capito che il problema non risiedeva solo nella fragilità del materiale , ma nella complessa gestione dei bordi fisici della cella stessa.

Cosa sono le celle solari “Back-Contact” (IBC)?

Per comprendere la reale portata di questa innovazione industriale, è fondamentale chiarire che tipo di pannello fotovoltaico stiamo analizzando. Il record di Longi è stato ottenuto su celle definite HIBC (Hybrid Interdigitated Back-Contact).

Se osserviamo un pannello solare tradizionale, notiamo immediatamente sulla sua superficie frontale una fitta griglia di sottili linee metalliche argentate. Questi sono i contatti elettrici necessari per raccogliere gli elettroni generati dall’impatto della luce solare con il silicio, per poi trasportarli verso l’esterno sotto forma di corrente. Questa soluzione è economica e consolidata , ma presenta un difetto fisico ineliminabile: il metallo è opaco. Quelle linee argentate fanno letteralmente ombra al silicio sottostante, “rubando” superficie utile e riducendo la quantità di fotoni catturabili.

La tecnologia Back-Contact (o IBC) risolve il problema alla radice: sposta tutti i contatti elettrici sulla parte posteriore della cella.

• Vantaggio ottico: La parte frontale del pannello diventa completamente nera e sgombra da ostacoli visivi, massimizzando l’assorbimento della luce solare.
• Vantaggio elettrico: Avendo l’intera superficie posteriore a disposizione per i contatti (che vengono disposti a pettine, da cui il termine interdigitated), è possibile ridurre la resistenza elettrica e ottimizzare il flusso di corrente.
• Estetica: L’aspetto uniforme rende questi pannelli molto richiesti per integrazioni architettoniche residenziali e commerciali di pregio.

Creare una cella IBC, tuttavia, richiede processi di manifattura estremamente complessi. È la “Formula 1” del fotovoltaico, e come tale richiede materiali d’eccellenza.

Il dilemma della resistività e la fuga di elettroni

I ricercatori cinesi hanno deciso di utilizzare wafer di silicio ad alta resistività (8–10 Ω·cm) per le loro celle HIBC di test, grandi 182 mm x 91 mm. Questi wafer presentano un numero inferiore di siti di “ricombinazione” al loro interno, il che significa che gli elettroni possono viaggiare più liberamente.

Eppure, nei primi esperimenti empirici, i wafer ad alta resistività producevano meno energia rispetto ai modesti wafer standard da 1.0–1.5 Ω·cm. Perché un materiale intrinsecamente migliore offriva risultati peggiori?

La risposta va cercata nella fisica dei semiconduttori. I wafer ad alta resistività operano con densità di portatori di carica molto elevate. Questo li rende estremamente sensibili a ciò che accade sui margini tagliati della cella. Senza un trattamento adeguato, i bordi si trasformano in un vero e proprio “scarico” (fenomeno noto come edge recombination), dove gli elettroni si disperdono prima di poter essere raccolti dai contatti posteriori. Senza protezioni, il vantaggio teorico si annulla.

Pannello back contact Longi, cioèuna perfetta lastra nera

La soluzione ingegneristica: la passivazione in-situ

Il team del ricercatore Hao Lin ha risolto l’enigma proteggendo i bordi dei wafer. Durante la lunga e costosa fase di produzione – che include pulizia chimica, deposizione da fase vapore (CVD) e vari passaggi di drogaggio con fosforo – i ricercatori hanno introdotto una tecnica mirata. In termini semplici, hanno mantenuto intatto lo strato protettivo (passivazione) sui margini del silicio per “sigillare” le vie di fuga degli elettroni.

Le analisi condotte con sistemi di metrologia avanzata e microscopia elettronica a trasmissione hanno confermato l’efficacia dell’intuizione. Il sistema di passivazione dei bordi, cioè di loro protezione, funziona non solo nelle celle solari con collegamenti posteriori, ma in tutte le celle anche se in modo minore.

Come si evince dai dati, la passivazione dei bordi migliora le prestazioni di qualsiasi cella solare , ma il beneficio è quasi doppio per i wafer ad alta resistività. Grazie a questo accorgimento, le celle ad alta resistività hanno finalmente superato quelle standard, toccando l’impressionante quota del 27,25% di efficienza.

Considerazioni finali e sfide di mercato

Questo studio, pubblicato su Solar Energy Materials and Solar Cells, dimostra che la tecnologia fotovoltaica ha ancora margini di miglioramento termodinamico se impiega architetture sofisticate.

L’industria manifatturiera, però, è governata dal pragmatismo economico, dai volumi e dall’abbattimento dei costi marginali. Il monito finale dei ricercatori è onesto: le celle ad alta resistività rimangono funzionalmente “fragili”. La loro estrema sensibilità non riguarda solo i bordi , ma anche il minimo graffio durante la produzione. Se l’industria fotovoltaica vorrà davvero portare questo 27,25% dai tavoli dei laboratori ai tetti delle nostre fabbriche, dovrà intraprendere un ciclo di investimenti massicci per aggiornare i macchinari, garantendo un controllo della qualità e una gestione meccanica estremamente più severi. La fisica ha indicato la rotta , ma spetterà agli ingegneri di processo (e ai capitali) renderla un’opzione di mercato realistica.

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