Pannelli Solari: Qcells raggiunge efficienza del 28,6% su celle a Perowskite e Silicio di grandi dimensioni

Qcells, una filiale del gigantesco conglomerato sudcoreano Hanwha Corp, ha stabilito un record mondiale per l’efficienza di una cella solare di silicio di grandi dimensioni con uno strato superiore di perovskite, uno sviluppo che potrebbe ridurre drasticamente le dimensioni dei progetti e abbattere i costi.

Qcells ha dichiarato di aver raggiunto un’efficienza del 28,6% su una cella di grandi dimensioni commerciale, nota come M10, utilizzando questa tecnologia, notevolmente superiore al 27% di efficienza delle celle in silicio cristallino e al 21% circa dei pannelli solari tradizionali in silicio. A onor del vero, la cinese Longi ha raggiunto un’efficienza superiore al 30%, ma per celle molto più piccole.

“Se si hanno 100 pannelli solari sul campo, ma si può ottenere la stessa potenza solo con 60 o 80 di essi, ora si scavano meno buche, si usano meno rotaie, si ha meno manodopera per installarli”, ha dichiarato a Reuters Danielle Merfeld, chief technology officer di Qcells.

La scoperta di Qcells arriva in un momento in cui l’uso estensivo del terreno da parte dei grandi progetti solari sta diventando sempre più una sfida importante. Per esempio, il Solar Star Project della California è uno dei più grandi impianti di energia solare al mondo, con 1,7 milioni di pannelli distribuiti su 3.000 acri, 1241 ettari,  a nord di Los Angeles. In confronto, una centrale a gas naturale situata a 100 miglia a sud di Solar Star produce la stessa quantità di energia su soli 122 acri, cioè circa 45 ettari.

Grafico di rendimento della cella Perowskite-silicio di Qcells

Perovskite ad alte prestazioni

I pannelli al silicio dominano il settore dell’energia solare, con oltre il 90% dei pannelli prodotti utilizzando questo versatile elemento. Le celle fotovoltaiche al silicio hanno i loro vantaggi: Sono abbastanza robuste e relativamente facili da installare. Grazie ai progressi nei metodi di produzione, sono diventate anche piuttosto economiche, soprattutto nell’ultimo decennio, in particolare i pannelli policristallini costruiti nelle fabbriche cinesi.

Tuttavia, hanno ancora un grosso svantaggio: I pannelli fotovoltaici al silicio sono piuttosto inefficienti, con i modelli più economici che hanno un’efficienza energetica del 7%-16%, a seconda di fattori come la posizione, l’orientamento e le condizioni atmosferiche. In effetti, le celle solari esistono da oltre sessant’anni, ma il silicio commerciale è riuscito a malapena a raggiungere il 25%, con un massimo del 30% teorico. Questo triste stato di cose è dovuto al fatto che i pannelli al silicio sono basati su wafer piuttosto che su film sottile, il che li rende più robusti e durevoli, ma il compromesso è un sacrificio in termini di efficienza.

Per soddisfare la rapida crescita del fabbisogno energetico mondiale – e raggiungere gli obiettivi di de-carbonizzazione che contribuirebbero a rallentare l’impatto del cambiamento climatico – ci vorrebbero centinaia di anni per costruire e installare un numero sufficiente di pannelli fotovoltaici al silicio. Ovviamente, si tratta di un’operazione troppo lenta per essere pratica per il raggiungimento degli obiettivi climatici.

Per anni gli scienziati hanno sperimentato formazioni cristalline alternative che permettessero a pannelli di dimensioni simili di catturare più energia. Finora sono emersi pochi progetti commercialmente validi, in particolare le celle a film sottile che potrebbero teoricamente raggiungere livelli di efficienza molto più elevati. I pannelli fotovoltaici a film sottile possono assorbire più luce e quindi produrre più energia.Questi pannelli possono essere prodotti in modo economico e veloce, soddisfacendo una maggiore domanda di energia in tempi più brevi. Esistono diversi tipi di film sottile, tutti leggermente diversi dai pannelli fotovoltaici standard in silicio cristallino (c-si).

I pannelli in silicio amorfo (a-Si) sono la forma più antica di film sottile: un vapore chimico deposita un sottile strato di silicio su vetro o plastica, producendo un pannello di peso ridotto ma non molto efficiente dal punto di vista energetico, con una resa del 13,6%. Poi ci sono i pannelli al tellururo di cadmio (CdTe), che utilizzano le particelle di cadmio sul vetro per produrre un pannello ad alta efficienza. Lo svantaggio è che il cadmio metallico è tossico e difficile da produrre in grandi quantità.

Questi pannelli vengono solitamente prodotti con la tecnologia dell’evaporazione: le particelle vengono surriscaldate e il vapore viene spruzzato su una superficie dura, come il vetro. Sono sottili, ma non sono affidabili o durevoli come i pannelli in c-si, che attualmente dominano il mercato.

La perovskite si è dimostrata finora la più promettente ed è riuscita a rompere il soffitto di vetro dell’efficienza. Le perovskiti sono una famiglia di cristalli che prende il nome dal geologo russo Leo Perovski, “perovskite”. Condividono una serie di caratteristiche che le rendono potenziali mattoni per le celle solari: elevata superconduttività, magnetoresistenza e ferroelettricità.

I pannelli fotovoltaici a film sottile di perovskite possono assorbire la luce da una più ampia varietà di lunghezze d’onda, producendo più elettricità dalla stessa intensità solare. Nel 2012 gli scienziati sono finalmente riusciti a produrre celle solari a film sottile di perovskite, che hanno raggiunto efficienze superiori al 10%. Ma da allora, le efficienze dei nuovi progetti di celle in perovskite sono salite alle stelle: i modelli più recenti possono raggiungere oltre il 30%, il tutto da una cella a film sottile che è (in teoria) molto più facile ed economica da produrre rispetto a un pannello in silicio a film spesso.

All’inizio dell’anno, Longi ha annunciato di aver raggiunto un’efficienza di conversione di potenza del 34,6% per una cella solare tandem perovskite-silicio, un nuovo record mondiale che supera il precedente record dell’azienda del 33,9% stabilito nel novembre 2023. L’ European Solar Test Installation (ESTI) ha certificato i risultati nel giugno di quest’anno.
“Abbiamo raggiunto questo risultato ottimizzando il processo di deposizione del film sottile dello strato di trasporto degli elettroni, sviluppando e utilizzando materiali di passivazione dei difetti ad alta efficienza e progettando e sviluppando strutture di passivazione interfacciale di alta qualità”, ha dichiarato l’azienda in un comunicato, senza fornire ulteriori dettagli. il problema è che, al contrario di Qcells si è trattato di celle di piccole dimensioni

Longi ha battuto il record mondiale di efficienza delle celle solari 16 volte dall’aprile 2021. Le ultime celle battute dall’azienda hanno superato il limite teorico di efficienza Shockley-Queisser (S-Q) del 33,7% per le celle solari a giunzione singola.