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Celle solari al silicio cristallino
Le celle a base di silicio appartengono alla prima e più antica generazione di celle solari. Con una quota di produzione globale del 97% (2023) dominano completamente il mercato.
Perché il silicio?
Il silicio è particolarmente adatto per le celle solari:
| Proprietà | Vantaggio |
|---|---|
| Abbondanza | Secondo elemento più comune nella crosta terrestre |
| Proprietà semiconduttrici | Ideale per l'effetto fotovoltaico |
| Stabilità | Lunga durata (25+ anni) |
| Esperienza produttiva | Decenni di ottimizzazione |
Monocristallino vs. Policristallino
La differenza principale sta nella struttura cristallina:
Silicio monocristallino
Processo Czochralski: Da un singolo cristallo vengono tagliati i wafer
| Proprietà | Valore |
|---|---|
| Struttura | Un unico cristallo continuo |
| Colore | Blu scuro fino a nero |
| Efficienza | 20–24% (commerciale) |
| Produzione | Processo Czochralski |
Vantaggi:
- Efficienza massima
- Lunga durata
- Migliore efficienza superficiale
Svantaggi:
- Costi di produzione più elevati
- Processo produttivo più complesso
Silicio policristallino
| Proprietà | Valore |
|---|---|
| Struttura | Molti piccoli cristalli |
| Colore | Blu chiaro, luccicante |
| Efficienza | 17–19% (commerciale) |
| Produzione | Processo di colata |
Vantaggi:
- Produzione più economica
- Processo produttivo più semplice
Svantaggi:
- Efficienza inferiore
- Quota di mercato in calo
Tendenza di mercato: I moduli policristallini vengono progressivamente sostituiti da quelli monocristallini. La differenza di prezzo è diventata minima, mentre la differenza di efficienza rimane significativa.
Tecnologie di produzione in dettaglio
AL-BSF: Lo standard classico
AL-BSF sta per "Aluminium Back Surface Field" – lo standard decennale.
Struttura a strati di una classica cella solare AL-BSF
| Strato | Funzione |
|---|---|
| Contatto N | Polo negativo, conduzione della corrente |
| Silicio drogato N | Eccesso di elettroni |
| Giunzione PN | Separazione delle cariche |
| Silicio drogato P | Materiale di base |
| Strato di alluminio | Riduce la ricombinazione |
| Contatto P | Polo positivo |
Efficienza: 18–20% (commerciale)
PERC: L'evoluzione
PERC = "Passivated Emitter and Rear Cell" – un'evoluzione dell'AL-BSF.
Miglioramenti rispetto all'AL-BSF:
- Strato di passivazione aggiuntivo
- Contatti posteriori localizzati
- Minor ricombinazione
| Aspetto | AL-BSF | PERC |
|---|---|---|
| Efficienza | 18–20% | 21–23% |
| Ricombinazione | Maggiore | Minore |
| Costi | Bassi | Moderati |
| Quota di mercato | In calo | Dominante |
PERC è attualmente la tecnologia più venduta.
HIT/SHJ: Tecnologia a eterogiunzione
HIT = "Heterojunction with Intrinsic Thin Layer" (anche SHJ = Silicon Heterojunction)
Combinazione di silicio cristallino e amorfo
| Strato | Materiale |
|---|---|
| Contatto N | Griglia metallica |
| Giunzione PN | Eterogiunzione |
| Si cristallino | Drogato N (base) |
| Si amorfo | Non drogato + drogato P |
| TCO | Strato di ossido trasparente |
| Contatto P | Strato metallico |
Vantaggi di HIT/SHJ:
- Efficienza molto elevata (22–24%)
- Basso coefficiente di temperatura
- Utilizzo bifacciale possibile
- Maggiore durata
Svantaggi:
- Produzione più complessa
- Costi più elevati
TOPCon: La nuova stella
TOPCon = "Tunnel Oxide Passivated Contact" – il nuovo leader di mercato emergente.
TOPCon: Strato di ossido tunnel per massima efficienza
| Strato | Funzione |
|---|---|
| Contatto N | Conduzione della corrente |
| Strato di passivazione | Riduce la ricombinazione |
| Silicio drogato N | Base (cella di tipo N!) |
| Giunzione PN | Separazione delle cariche |
| Strato ossido tunnel | Permette l'effetto tunnel |
| Silicio drogato P | Sottile |
| Contatto P | Conduzione della corrente |
Particolarità: Lo strato di ossido tunnel sfrutta l'effetto tunnel della fisica quantistica – gli elettroni passano, le lacune no.
Vantaggi di TOPCon:
- Efficienza commerciale massima (22–24%)
- Basato su linee produttive PERC (conversione possibile)
- Tipo N: Nessuna degradazione indotta dalla luce
- Buon comportamento in luce diffusa
Confronto tecnologico
Valutazione: ++ molto buono, + buono, - scarso, -- molto scarso
Riepilogo
| Tecnologia | Efficienza | Costi | Tendenza |
|---|---|---|---|
| AL-BSF | 18–20% | Bassi | ↓ In esaurimento |
| PERC | 21–23% | Moderati | → Stabile |
| HIT/SHJ | 22–24% | Alti | ↑ Premium |
| TOPCon | 22–24% | Moderati | ↑↑ Forte crescita |
Quale tecnologia scegliere?
| Situazione | Consiglio | Motivazione |
|---|---|---|
| Orientamento al budget | PERC | Miglior rapporto qualità-prezzo |
| Massima efficienza | TOPCon o HJT | Efficienze più elevate |
| Superficie tetto limitata | Tipo N (TOPCon/HJT) | Maggiore resa per m² |
| Impianto da balcone | PERC | Economico e sufficiente |
| Investimento a lungo termine | Tipo N | Minor degradazione |
Conclusioni
In sintesi: Le celle al silicio cristallino dominano il mercato solare con il 97%. La tendenza va chiaramente verso le celle di tipo N: TOPCon probabilmente sostituirà PERC come tecnologia standard. Per le nuove installazioni si consigliano i moduli TOPCon – offrono il miglior compromesso tra efficienza, longevità e prezzo.
Per approfondire: Film sottile e nuove tecnologie
Fonti
- Pastuszak, J.; Węgierek, P.: Photovoltaic Cell Generations and Current Research Directions. Materials 2022
- ITRPV: International Technology Roadmap for Photovoltaic 2024
- D. Pan, T. Guo, X. Chen: Silicon-based solar cell: Materials, fabrication and applications. ISCTIS 2021
- Lindroos, J.; Savin, H.: Review of light-induced degradation in crystalline silicon solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells 2016