Tecnologie fotovoltaiche innovative per ridurre il costo dell'elettricità
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Tecnologie fotovoltaiche
innovative per ridurre il
costo dell’elettricità
Cosimo Gerardi Enel Green Power, Ricerca e Sviluppo -Tecnologia Fotovoltaica - 3SUN - Catania
I
l costo per Watt delle celle solari si è ri- Introduzione
dotto così velocemente negli anni, che i
costi di fabbricazione dei moduli fotovol- Negli ultimi anni il fotovoltaico ha dimostrato di
taici incidono poco sui costi totali di un im- avere un ruolo centrale nella transizione verso
pianto fotovoltaico: sono i costi di installa- le fonti di energia rinnovabile e per la riduzio-
zione e gestione e quelli dei materiali di base ne dell’emissione di CO2 . Considerando i trend
di crescita, la sostenibilità del fotovoltaico è mi-
che determinano principalmente il costo per
gliorata notevolmente grazie ai progressi tecno-
la produzione di elettricità. L’aumento di ef-
logici, che hanno permesso di ridurre la quantità
ficienza e l’energia prodotta dall’impianto co- di materiale utilizzato e avere una miglior resa
stituiscono oggi le leve più importanti per la manifatturiera.
riduzione dei costi complessivi. Questo articolo riporta una rassegna dello sta-
La tecnologia dei moduli fotovoltaici si è evo- to della tecnologia fotovoltaica, prevalentemente
luta nella direzione di massimizzare l’efficien- basata sul silicio cristallino e multicristallino, e
za di conversione e l’energia prodotta in me- che vede la Cina in prima fila con più del 90%
dia da un impianto fotovoltaico cercando di della produzione mondiale. Le tecnologie più
diffuse utilizzano una architettura di dispositi-
ottimizzare la raccolta di luce e ridurre le per-
vo e processi proposti negli anni ’80 e portati al
dite. In questo lavoro discuteremo dello stato
massimo livello di ottimizzazione in termini di
dell’arte della tecnologia fotovoltaica per im- prestazioni e costi negli ultimi anni. Mostreremo
piego terrestre che è in gran parte basata sul che alcune recenti soluzioni, come i moduli bifac-
silicio, il secondo elemento più abbondante ciali, possono fare aumentare significativamente
sulla terra, e delle prospettive di sviluppo fu- le prestazioni in termini di energia prodotta dai
turo che puntano a superare i limiti imposti moduli al silicio. Inoltre descriveremo la tecno-
logia a eterogiunzione, che è in fase di industria-
dalle caratteristiche dei materiali.
lizzazione ed espansione in questo periodo e che
potrebbe dare all’Europa la possibilità di diven-
tare leader nel settore del fotovoltaico. Infine,
si discuterà delle future evoluzioni tecnologiche
Ithaca: Viaggio nella Scienza XV, 2020 • Tecnologie fotovoltaiche 81
Watt picco (Wp)
Il Watt picco (Wp) rappresenta l’unità
di misura della potenza teorica massima
erogabile da un generatore elettrico (mo-
dulo fotovoltaico) o viceversa la potenza
teorica massima assorbibile da un carico
elettrico.
basate su nuove architetture e nuovi materiali,
che nei prossimi anni permetteranno di aumen-
tare notevolmente l’efficienza delle celle solari
per applicazioni terrestri.
Il Mercato del fotovoltaico
Il mercato mondiale della tecnologia dei moduli,
o pannelli, fotovoltaici è dominato dalla tecnolo-
Figura 1: Pannello superiore. Quote di mercato delle tec-
gia che si basa sul silicio multicristallino1 e mono- nologie fotovoltaiche per applicazioni terrestri.
cristallino. Quest’ultimo sta guadagnato terreno (Fonte: Fraunhofer ISE 2019 [2], che ha sti-
grazie alla più alta efficienza raggiunta dalle cel- mato che nel 2018 sono stati prodotti intorno
le solari, riuscendo a compensare quasi del tutto a 103 GWp. Pannello inferiore. Installazioni
fotovoltaiche (PV) ed eoliche (Wind) per anno.
il costo maggiore di produzione del wafer di sili-
Si tratta di dati pubblicati da Bloomberg New
cio monocristallino. La tecnologia più diffusa si Energy Finance il 16 gennaio 2019. È evidente
basa sull’utilizzo delle fette di silicio cristallino e che il fotovoltaico è in forte crescita.
ha una quota di mercato vicina al 95%, le tecnolo-
gie a film sottile hanno quote significativamente
più basse, si tratta prevalentemente di moduli al termini di capacità globale installata cumulata,
tellururo di cadmio (CdTe) o moduli al seleniuro nel 2018 si è superata la soglia dei 500 GWp e si
di rame indio e gallio (CuInx Ga1−x Se2 ) noto con prevede di arrivare a oltre 1 TWp entro il 2023
l’acronimo CIGS. I moduli a film sottile raggiun- [1].
gono efficienze minori e hanno il problema della
tossicità del cadmio o della poca disponibilità La produzione annuale di moduli supera i 100
di indio che è un elemento raro. Inoltre, il film GWp/anno [2]. Favorita dalla drastica riduzione
sottile richiede anche l’utilizzo di materiali, co- dei prezzi, è ragionevole pensare che la domanda
me vetro, incapsulante e materiali per l’intercon- crescerà ancora in modo significativo negli anni
nessione, molto specifici e non standardizzabili, successivi.
rendendo difficile abbassare i costi complessivi Il mercato sarà sempre più condizionato, non
di produzione. soltanto dal costo dei moduli, ma anche dalle
Nel 2018 i moduli di silicio cristallino hanno migliori prestazioni e affidabilità dei moduli e
raggiunto efficienze fra 17% e 18%, con le tecno- dei sistemi, che contribuiranno ad abbassare il
logie più performanti, che sono arrivate a oltre costo finale dell’energia, definito con il Costo
il 20% (per mercati di applicazioni ad alte pre- Livellato dell’Energia (Levelized Cost of Energy,
stazioni e costo più alto, cosiddetti high-end). In LCOE) [3].
1
Le celle solari al silicio cristallino sono realizzate con fet- Il valore LCOE, che si misura in $ / MWh, rap-
te di silicio monocristallino (cristallo singolo di silicio) presenta una stima economica del costo medio
o multicristallino (policristallo). Il silicio multicristalli- necessario per finanziare e mantenere un impian-
no è essenzialmente silicio policristallino caratterizzato
da grani di silicio orientati diversamente ma di piccole to di produzione energetica nel corso della sua vi-
dimensioni. ta utile, in rapporto alla quantità totale di energia
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generata durante lo stesso intervallo di tempo2 .
Prospettive per un futuro con più
fotovoltaico
Grazie alla grande riduzione dei costi, il fotovol-
taico si è ormai ben affermato come un nuovo
attore, molto importante, nella corsa al control-
lo del riscaldamento globale del nostro pianeta.
Oggi, la tecnologia fotovoltaica rappresenta una
delle opzioni più economiche per fornire elettri-
cità e continua ad evolversi con grande enfasi Figura 2: Andamento dei prezzi di vendita in dollari in
sull’aumento della efficienza di conversione, che funzione della quantità di moduli utilizzati
in impianti fotovoltaici (Fonte: International
ha il maggior impatto sulla riduzione dei costi. I Technology Roadmap of Photovoltaics 2019)[4].
risultati delle attività di ricerca nel fotovoltaico
mostrano che ci sono prospettive per aumentare
ulteriormente l’efficienza delle celle solari, por-
tando ad una ulteriore riduzione dei costi, a livel- re efficienze anche superiori al 30% nei prossimi
li impensabili fino a pochi anni fa. La spinta ver- anni, tramite l’implementazione di nuovi mate-
so una maggiore efficienza di conversione deriva riali e architetture di dispositivo, utilizzando un
dal fatto che i costi di fabbricazione delle celle mix di tecnologie consolidate, come il silicio, e
solari hanno un andamento di riduzione molto nuovi materiali. Tali materiali potranno aumen-
simile a quello osservato nella microelettronica, tare la parte di spettro solare assorbita, grazie
attraverso l’aumento dei volumi e l’avanzamento alle architetture a giunzione multipla. In esse di-
tecnologico del processo di fabbricazione. versi tipi di cella sensibili alle varie componenti
Di contro, i costi degli altri componenti del spettrali potranno catturare gran parte dello spet-
modulo, come il vetro, il materiale polimerico tro: dalle frequenze più alte come blu e verde, a
incapsulante, le cornici di alluminio, i diodi di quelle più basse come il rosso.
protezione e i materiali per l’interconnessione Verosimilmente, ciò comporterà l’apertura ver-
non beneficiano di questi vantaggi. L’aumento so lo sviluppo di nuovi mercati come l’integra-
di efficienza della cella porta ad una diminuzione zione architettonica dei moduli fotovoltaici e l’u-
diretta di questi costi, meno trattabili, riducen- tilizzo nel settore dei trasporti, perché l’aumento
done le quantità richieste. In sostanza, si può di efficienza porterà all’utilizzo ridotto di area e
affermare che l’aumento dell’efficienza della cel- dispositivi più leggeri.
la è stato il fattore principale che ha portato alla
Nonostante il grande entusiasmo a livello mon-
riduzione dei costi dei moduli negli ultimi anni.
diale per i progressi della tecnologia fotovoltaica
L’efficienza ha un impatto addirittura maggio-
e le grandi prospettive di sviluppo, l’industria
re a livello di sistema a causa della riduzione
fotovoltaica europea è purtroppo in crisi e lotta
del numero dei moduli, dei costi di logistica,
per la sopravvivenza. Al contrario l’industria
di installazione, di manutenzione e dei costi as-
asiatica, in particolar modo quella cinese, detie-
sociati all’estensione del terreno necessario per
ne oltre il 90% delle quote di mercato dei moduli
l’installazione dell’impianto.
fotovoltaici prodotti. L’industria europea e in
L’aumento di efficienza caratterizzerà i trend
particolare quella italiana (che guida la classifica
futuri di mercato con la possibilità di raggiunge-
delle fabbriche più importanti a livello europeo
2
Il costo livellato dell’energia costituisce quindi un valore con il sito Enel Green Power di Catania) ha delle
di riferimento per il prezzo a cui vendere l’energia per risorse molto importanti su cui fare affidamen-
unità di energia elettrica generata, al fine di avere un to, come la competenza tecnologica sviluppata
adeguato ritorno economico dei costi di finanziamento
e manutenzione dell’impianto stesso durante il suo ciclo da centri di ricerca e sviluppo tecnologico, e il
di vita. know-how sviluppato dalla catena dell’industria
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europea che è costituita da produttori di mate- Cella solare: breve descrizione
riali e da costruttori di macchinari in grado di dei principi di funzionamento
sviluppare linee di produzione automatizzate,
digitalizzate e molto efficienti. L’effetto fotovoltaico, che consiste nella genera-
In quest’ambito, sviluppare linee industriali zione di una tensione quando un dispositivo vie-
basate su processi innovativi con capacità pro- ne esposto alla luce, fu scoperto da Becquerel
duttive superiori a 1 GWp/anno3 è di fondamen- nel 1839, in una giunzione formata fra un elettro-
tale importanza per una significativa ripartenza do e un elettrolita [5]. Da allora sono state fatte
dell’industria europea, accelerando lo sviluppo altre dimostrazioni, anche se il primo risultato
di dispositivi innovativi. sostanziale è stato dimostrato nel 1940 da Ohl in
una giunzione p-n di silicio [6]. Ciò nonostante,
le celle solari non destarono molto interesse se
non a partire dal 1954, grazie ai lavori di Chapin
[7] sul silicio mono cristallino e di Reynolds sul
solfuro di cadmio [8].
Da allora, si sono realizzate celle solari con
diversi materiali, utilizzando diverse architetture
e vari tipi di materiali semiconduttori, inorganici,
organici e ibridi organici-inorganici.
La cella solare convenzionale, tipicamente una
giunzione p − n, o p − i − n4 , è caratterizzata
da un materiale semiconduttore che assorbe la
luce (assorbitore) con una singola banda di ener-
gia proibita (o band-gap), Eg . Quando la cella è
esposta alla luce, i fotoni con energia inferiore
a Eg non contribuiscono all’output della cella5 .
Un fotone con energia maggiore di Eg genera
una carica elettrica, e l’energia in eccesso rispet-
to a Eg viene dissipata come calore. Per ricavare
l’efficienza di conversione ideale, si deve consi-
Figura 3: Pannello superiore: schema del circuito equiva-
derare la struttura a bande del semiconduttore
lente di una cella solare quando viene illumina-
ta. Il generatore di corrente rappresenta la cor- utilizzato. Si assume che la cella solare abbia
rente generata dalla luce, il diodo rappresenta caratteristica I-V di diodo ideale, con il circuito
la giunzione, Rs è la resistenza serie che rappre- ideale rappresentato in Figura 3.
senta essenzialmente le perdite ohmiche e RSH La corrente caratteristica del dispositivo
è la resistenza di shunt che causa perdite di po-
rappresentato dal circuito in figura è data da:
tenza in presenza di cammini alternativi (ISH )
per la corrente generata dalla luce. Pannello in-
qV
feriore: corrente, cambiata di segno, linea conti- I = Id − Isc = I0 exp − Isc , (1)
nua, e potenza erogata dal circuito, linea tratteg- kT
giata, in funzione del voltaggio (caratteristica
I − V ). dove Id è la corrente che scorre attraverso il dio-
do, Isc la corrente di corto circuito che corrispon-
de alla corrente delle cariche generate dalla luce
e I0 è la corrente di saturazione del diodo. La
carica dell’elettrone è q, k è la costante di Boltz-
3
Per essere competitivi non basta l’innovazione che porta mann, T è la temperatura assoluta. La potenza
a dispostivi e processi produttivi più efficienti, è neces-
4
saria anche l’economia di scala. Per questo motivo è Con p, n si indica il tipo di drogaggio accettatore o dona-
necessario che una fabbrica abbia una capacità produt- tore, rispettivamente, con i si indica lo stato intrinseco,
tiva di un certo volume per poter competere sul mer- non drogato, del semiconduttore)
5
cato. 1GWp/anno è un valore appropriato per poter Trascurando considerazioni relative all’assorbimento
competere con le fabbriche asiatiche. assistito dai fononi e dall’influenza dei livelli eccitonici.
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Spingersi verso il limite... e oltre
Fill factor
Il Fill Factor (o Fattore di Riempimento) è Le celle solari assorbono la luce del Sole facendo
il rapporto fra l’area del rettangolo massi- passare gli elettroni dalla banda di valenza del
mo (data dal prodotto Im Vm ) inscrivibile semiconduttore alla banda di conduzione, o nei
nella curva I − V e l’area del rettango- livelli presenti nel band-gap, da dove la maggior
lo minimo che circoscrive la curva I − V parte di essi viene estratta come corrente elet-
(area data dal prodotto ISC Voc ). Poiché la trica fra i terminali della cella. Alcuni di questi
caratteristica I − V è curva, tale rappor- elettroni eccitati dalla luce, comunque ritornano
to è sempre < 1. Esso si avvicina tanto allo stato fondamentale prima di essere estratti,
più ad 1, quanto più è squadrata la curva in altre parole si ricombinano.
caratteristica. La massima efficienza di conversione energe-
tica si ottiene quando tutta la ricombinazione
avviene in modo inverso a quello dell’assorbi-
Air Mass Coefficient mento, vale a dire tramite ricombinazione radia-
tiva, per cui gli elettroni ritornano in banda di
AM1.5G è il coefficiente di massa d’aria
valenza. Negli anni ’60 Shockley e Queisser (S-
(air mass coefficient). Il coefficiente defini-
Q), utilizzando il principio di bilancio dettaglia-
sce la lunghezza del cammino della luce
to, determinarono i limiti radiativi nei confronti
attraverso l’atmosfera terrestre. È espres-
della efficienza di conversione energetica [9].
so come rapporto relativo alla lunghezza
del cammino ottico ad un angolo definito S-Q elaborarono la teoria immaginando una
rispetto allo zenith. AM1.5 si riferisce al cella solare ideale al buio e all’equilibrio termico.
rapporto del cammino a circa 42◦ rispetto Tale cella in condizioni ideali assorbe tutta la luce
allo zenith, e viene preso come riferimen- incidente, in questo caso data dalla radiazione
to globale per il fotovoltaico terrestre (G: di corpo nero a temperatura ambiente. Tramite
global). il principio del bilancio dettagliato, la cella deve
anche emettere tale radiazione. Poiché la cella è
al buio, la sorgente dei fotoni emessi con energia
in uscita dalla cella solare è data da: maggiore di Eg viene fornita dalla transizione
in banda di valenza dei portatori di carica che
qV si trovano in banda di conduzione. Molti fotoni
P (V ) = IV = I0 V exp − Isc V . (2)
kT emessi in questo modo vengono riassorbiti dalla
cella prima di poter essere estratti come corrente
La condizione di massima potenza si ottiene
fra gli elettrodi.
uguagliando a zero la derivata prima di P (V ). Si
può dimostrare che la potenza massima si ottiene Integrando il numero di fotoni nella radiazio-
nel modo seguente: ne di corpo nero emessa nell’intervallo di ener-
gia al di sopra di Eg , si può ricavare il tasso di
Pm = Im Vm = FF ISC Voc , (3) ricombinazione radiativa totale nel dispositivo
all’equilibrio termico. Una tensione V applicata
con a una cella solare farà aumentare in modo espo-
nenziale il prodotto delle concentrazioni dei por-
kT q kT
Pm ∼ ISC Voc − ln 1 − Vm − , tatori di carica nella regione di giunzione, con
q kT q
(4) esponente dato da qV /kT .
e S-Q fecero l’assunzione che, in una cella solare
FF =
Im Vm
, (5) ideale, tale incremento esponenziale avviene in
Isc Voc tutto il volume della cella.
dove Vm e Im sono la massima corrente e mas- Quindi, in condizioni ideali, il tasso di ricom-
sima tensione. La tensione di circuito aperto binazione radiativa, che dipende dal prodotto
Voc si ottiene ponendo a zero la corrente I nella delle concentrazioni dei portatori, aumenta dello
equazione (1), FF è il fill factor. stesso fattore.
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Figura 5: Perdite spettrali in una cella solare. La figu-
ra mostra la massima energia raggiungibile
rispetto allo spettro solare AM1.5G.
della presenza dei livelli eccitonici, l’assorbimen-
to avviene in realtà ad energie minori di Eg per la
maggior parte dei semiconduttori. Nella tabella
presentata in Fig. 6 sono riportate le efficienze
record ottenute in laboratorio per i vari tipi di
materiali [10].
Figura 4: Pannello superiore: rappresentazione del prin-
cipio del bilancio dettagliato fra luce emessa ed
assorbita, al buio e in equilibrio termico in una Le Tecnologie fotovoltaiche per
cella solare. Shockley e Queisser utilizzarono impiego terrestre
tale bilancio per calcolare il limite teorico di
efficienza per un dato materiale [9]. Pannel-
lo inferiore: efficienze teoriche per celle solari.
Le tecnologie fotovoltaiche per impiego terrestre
Limiti di S-Q per lo spettro solare AM1.5G e si dividono essenzialmente in due gruppi. Al
in condizioni di forte concentrazione, ottenuta primo gruppo appartengono le principali (main-
amplificando l’intensità della luce con lenti o stream) tecnologie che dominano il mercato mon-
specchi [10]. Per il silicio (Eg =1.15 eV) il limi- diale. Queste si basano sull’assemblaggio di celle
te teorico di efficienza in condizioni AM1.5G è
solari ottenute processando fette (wafer) di sili-
di 29.5%.
cio cristallino, policristallino o multicristallino.
Oggi la tecnologia industriale si sta sempre più
Facendo un bilancio che coinvolge elettroni concentrando sull’utilizzo del silicio monocri-
e fotoni ad ogni valore di tensione, si può de- stallino. Le fette di silicio monocristallino sono
durre la curva corrente-tensione (I-V) di una cel- ottenute con processi ad elevata temperatura, e
la solare ideale esposta al sole. Ciò permette si ricavano da un lingotto di silicio accresciuto
di calcolare l’efficienza limite teorica della cel- da silicio fuso.
la. Oggi, alcune tecnologie fotovoltaiche sono La tecnologia utilizzata per la realizzazione
così progredite che le loro prestazioni tendono dei lingotti si definisce metodo Czochralski, o
ad avvicinarsi ai cosiddetti limiti radiativi. CZ [11]. Nel metodo CZ un seme cristallino vie-
La teoria S-Q fu originariamente formulata ne immerso nel silicio fuso (ottenuto fondendo
considerando Eg come solo parametro indipen- silicio policristallino a temperature superiori a
dente, assumendo che la risposta della cella si 1420◦ C) con un’asta finché inizia a fondere. Il
annullasse bruscamente appena sotto il valore di seme viene quindi sollevato dal fuso molto lenta-
Eg . Più correttamente la teoria dovrebbe tener mente, mentre viene ruotato. Man mano che l’a-
conto dell’energia di soglia Et a cui si verifica la sta ruota, il diametro del lingotto cresce forman-
condizione di forte assorbimento. Infatti, a causa do un cono iniziale. Il diametro viene aumentato
Ithaca: Viaggio nella Scienza XV, 2020 • Tecnologie fotovoltaiche 86
Figura 6: Record ottenuti dalle migliori celle solari in laboratorio. η è l’efficienza di conversione. Nel caso del silicio il
valore record è ottenuto su cella con dimensioni simili a quelle delle celle industriali. Negli altri casi le dimensioni
sono inferiori e in alcuni casi (come Perovskite, CZTS, CdTe, GaInP) si tratta di celle di dimensioni molto piccole
e non industrializzabili [10]. In tabella sono indicate le organizzazioni dei laboratori che hanno realizzato le
celle record. Eth è l’energia di soglia che deve avere un fotone per essere assorbito ed è data dal band-gap a cui si
deve sottrarre il livello di energia degli eccitoni.
fino a raggiungere il valore desiderato. La solidi- moduli con efficienze fra il 18% e il 19%, per i
ficazione progressiva all’interfaccia fra solido e moduli monocristallini più comuni, e oltre il 20%
liquido genera un unico monocristallo di grandi per i prodotti high-end, ad elevate prestazioni.
dimensioni a simmetria cilindrica. Una velocità Alcuni dei moduli al silicio cristallino oggi in
di crescita tipica è dell’ordine di alcuni millimetri commercio sono bifacciali, vale a dire, sono pro-
per minuto. Infine, la parte cilindrica con diame- gettati per catturare anche una parte di luce so-
tro costante viene accresciuta, controllando la lare (riflessa o diffusa dal terreno) attraverso la
temperatura e la velocità di sollevamento. parte posteriore, contribuendo così ad aumenta-
Le fette di silicio, con spessori di 150-200 µm, re la produzione media di energia di un impianto
si ottengono affettando il lingotto, che da bloc- solare.
co a geometria cilindrica è stato trasformato in Il secondo gruppo di tecnologie fotovoltaiche
un mattone a forma di quasi parallelepipedo. comprende i moduli che si ottengono deposi-
Il taglio avviene quindi con un filo diamanta- tando il materiale fotovoltaico in forma di film
to. Le fette assumono una forma quasi-quadrata sottile su vetro o altri materiali a basso costo, co-
o pseudo-square. Una volta processate per ottene- me plastica e acciaio. Tali tecnologie si basano su
re un diodo e gli elettrodi per estrarre le cariche, processi di deposizione a film sottile su grandi
le celle solari vengono interconnesse in un mo- aree e quindi soggetti a problemi di uniformità
dulo fotovoltaico. Generalmente, una cella ha ed omogeneità.
dimensioni di 156.75 mm × 156.75 mm, e per La disomogeneità condiziona fortemente le
fare un modulo ne occorrono 60 o 72. In genera- prestazioni dei moduli a film sottile, quando si
le, comunque le dimensioni delle fette di silicio scalano le dimensioni a valori di interesse com-
seguono un trend di aumento di dimensioni e merciale. Per questo motivo hanno efficienze
tenderanno ad aumentare sempre più grazie al significativamente più basse dei moduli di silicio
miglioramento del processo di crescita del sili- cristallino.
cio. Le celle sono interconnesse in stringhe e
Si tratta comunque di materiali deposti a tem-
tipicamente sono collegate in serie.
peratura relativamente bassa e con spessori di
Grazie al notevole miglioramento della quali- pochi micron. Per il film sottile si effettua un
tà del silicio cristallino oggi è possibile ottenere tipo di interconnessione monolitica, ottenuta ef-
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Figura 7: Sinistra) Apparato Czochralski per la crescita di monocristalli. (Centro) Parte finale di un cristallo di silicio
cresciuto con tecnica CZ. (a) Sistema con filo diamantato utilizzato per tagliare il mattone di silicio (brick),
ottenuto dal lingotto (a destra in alto). Tale operazione permette di realizzare fette di silicio con forma pseudo-
square con spessori che sono intorno ai 180-150 µm. Nuove tecnologie fotovoltaiche, come la HJT descritta
in seguito, puntano all’utilizzo di fette ancora più sottili da 120 a 100 µm, per ridurre ulteriormente i costi
del silicio. Il filo diamantato induce un certo danneggiamento della superficie del silicio e la zona danneggiata
viene rimossa nei processi di attacco chimico durante la fabbricazione delle celle solari.
fettuando deposizione sequenziale di materiale ibrido organico-inorganico, che presenta proprie-
e taglio tramite ablazione laser per definire le tà molto interessanti. Si tratta della perovskite,
zone attive, creare le interconnessioni fra le varie della quale discuteremo nei prossimi paragrafi.
parti del modulo e tracciare le regioni di isola-
Il fotovoltaico a film sottile ha avuto un pe-
mento. È molto importante anche sviluppare un
riodo di crescita importante fra il 2008 e il 2012,
sistema di cattura della luce utilizzando strutture
quando si è verificata una seria crisi di approv-
di dimensioni sub-micrometriche sul vetro o sui
vigionamento del silicio. La crisi è stata tuttavia
contatti trasparenti (tipicamente ossido di stagno
temporanea e la tecnologia basata sul silicio cri-
drogato con fluoro o ossido di zinco drogato con
stallino è tornata a dominare il mercato, riuscen-
boro o con alluminio), per aumentare il cammino
do ad imporsi soprattutto a causa della maggiore
ottico della luce.
efficienza e alla standardizzazione della catena
Con questi sistemi, che in parte si ispirano al di approvvigionamento dei materiali come vetro,
funzionamento degli occhi di alcuni insetti come polimeri incapsulanti, materiali per interconnes-
le falene (moth eye), si riesce ad aumentare note- sione, ecc. Grazie a questi vantaggi i moduli
volmente lo spessore equivalente del materiale di silicio cristallino presentano prezzi inferiori
attivo, facendo rimbalzare la luce alle interfacce non solo in termini di costo per Watt, ma soprat-
interne e diffondendola in orizzontale. tutto in termini di costo / kilowattora, grazie
Generalmente la categoria delle tecnologie a ad una maggiore affidabilità e ad una maggiore
film sottile comprende il CdTe, il CuInGaSe2 erogazione annua di energia elettrica.
(CIGS), il silicio amorfo idrogenato, spesso uti- La Figura 9 riporta il trend delle quote di mer-
lizzato in architettura Tandem con il silicio mi- cato delle principali tecnologie che si basano sul-
crocristallino, e i moduli di materiale organico l’utilizzo di silicio cristallino. La tecnologia più
(Organic PhotoVoltaic OPV). diffusa fino a poco tempo è nota come Al-BSF
Negli ultimi anni, dal punto di vista della ricer- che utilizza un contatto continuo di alluminio
ca, si è affermato un nuovo materiale fotovoltaico, (Al) sul retro.
Ithaca: Viaggio nella Scienza XV, 2020 • Tecnologie fotovoltaiche 88
Figura 8: Confronto fra tecnologia a film sottile (in alto), in questo caso si tratta di film sottile di silicio amorfo e
microcristallino, e silicio cristallino (in basso) che si basa sull’assemblaggio di fette di silicio.
lo strato metallico. Tale contatto crea un campo
elettrico all’interfaccia posteriore della cella sola-
re (back-surface field, BSF), che serve a ridurre la
velocità di ricombinazione superficiale.
La tecnologia Al-BSF utilizza prevalentemente
wafer di silicio multicristallino di tipo p, drogati
con boro. La giunzione viene formata tramite
un processo di diffusione ad alta temperatura
(>8000 C), per cui il drogante di tipo n, general-
mente fosforo, diffonde nel silicio creando una
giunzione p − n nella parte frontale della fetta
di silicio. Solo la parte frontale della cella solare
viene passivata depositando un dielettrico, tipi-
camente nitruro di silicio, che svolge anche la
funzione di strato antiriflesso.
Figura 9: (in alto) Trend di mercato per le tecnologie Dopo un processo di ispezione, le fette di Si
che utilizzano silicio cristallino (mono e mul-
vengono trattate con un attacco in bagno chimico
ti cristallino). (In basso) Prestazioni record
e i valori medi ottenuti in produzione. Le sulla faccia frontale, che determina la formazio-
celle Tandem silicio perovskite sono ancora ne di piramidi alte alcuni µm. Esse hanno la
sperimentali. funzione di ridurre la riflessione e distribuire
la luce obliquamente nel silicio, permettendo di
aumentare l’assorbimento ottico.
In questa cella il processo per realizzare il con- Dopo il trattamento chimico i wafer sono sot-
tatto si basa su un processo serigrafico (Screen toposti al processo di diffusione, utilizzando os-
Printer) con paste metalliche, che stampa una gri- siclorulo di fosforo POCl3 come precursore del
glia metallica, o uno strato continuo metallico, fosforo, che diffonde con un processo ad elevata
sul wafer. Poi un processo di sinterizzazione ad temperatura (superiore a 800◦ C) nel wafer di tipo
alta temperatura (detto firing) forma una lega p. Sul fronte della cella solare si deposita uno
di metallo-silicio fra la parte attiva della cella e strato dielettrico di passivazione e antiriflesso
Ithaca: Viaggio nella Scienza XV, 2020 • Tecnologie fotovoltaiche 89
più alta di quella del silicio di tipo p.
Il silicio di tipo n viene però realizzato a costi
dal 5% al 10% più alti rispetto al silicio di tipo
p. Il vantaggio del più basso costo ha portato al-
la maggior diffusione delle tecnologie basata su
silicio p rispetto a quelle di silicio n. Tuttavia pre-
senta maggiore tendenza al deterioramento delle
celle solari, a causa di fenomeni di degrado in-
dotti dalla luce e legati alla presenza di complessi
boro-ossigeno.
Recentemente molte delle aziende manifattu-
riere sono passate all’utilizzo di fette di silicio
monocristallino. Per aumentare ulteriormente
Figura 10: (In alto) Struttura della cella solare Al-BSF. l’efficienza della cella solare e trarre maggior be-
Sulla parte frontale ci sono le sottili strisce di neficio dall’utilizzo del silicio monocristallino,
argento (fingers), che hanno larghezza di 40- si è pensato di modificare anche l’architettura
60 µm, che sono stampate con la serigrafia,
della cella solare, migliorando la passivazione
utilizzando pasta d’argento. Nella parte po-
steriore si nota lo strato continuo di Al otte- delle superfici e ottenendo una diminuzione si-
nuto tramite processo serigrafico con pasta di gnificativa della velocità di ricombinazione. In
Al. Il processo di sinterizzazione ad elevata particolare si è introdotta la passivazione dello
temperatura causa la formazione di una lega strato fortemente drogato con fosforo (n+), ot-
di silicio e alluminio che origina lo strato BSF. tenuto per diffusione nella fetta di Si di tipo p
(In basso) Architettura della cella PERC. Si
possono notare i punti di apertura dei contat-
(definito emitter). Tale architettura si definisce
ti sul retro, attraverso il dielettrico di passi- PERC che significa Passivated Emitter and Rear
vazione che è formato da uno strato di pochi Cell6 . Con la cella PERC si ottiene un significati-
nanometri di Al2 O3 e uno strato più spesso vo miglioramento in termini di efficienza. Se da
di Si3 N4 . Nei punti di apertura dei contat- un lato ci sono più passaggi da compiere in fase
ti si vengono a formare le regioni di campo
produttiva, l’aumento di rendimento consente
elettrico BSF.
un abbassamento dei costi a livello sistemico.
Nella cella PERC si estende il concetto della
(nitruro di silicio). passivazione superficiale della faccia frontale an-
Come discusso precedentemente, la tecnologia che alla faccia posteriore della cella, depositando
per la realizzazione dei lingotti di silicio mono- uno strato dielettrico di passivazione (tipicamen-
cristallino si è evoluta in termini di riduzione dei te ossido di alluminio e nitruro di silicio). Inoltre
costi, rendendo sempre più conveniente, almeno poiché il contatto diretto dello strato continuo di
in termini di costo per Watt di potenza di picco metallo sul silicio introduce un gran numero di
generato dalla cella solare, l’impiego di silicio centri di ricombinazione, si effettua il contatto
monocristallino. sul retro attraverso dei piccoli fori aperti nello
Le celle solari ottenute con silicio monocristal- strato di dielettrico. Si utilizza un laser ad in-
lino possono utilizzare fette di silicio di tipo p frarosso che causa l’ablazione del dielettrico in
(drogato con boro) o silicio di tipo n (drogato alcuni punti (local contacts opening). In questo
con fosforo). Il silicio monocristallino di tipo n è modo si migliora la qualità elettronica del contat-
utilizzato per celle solari di maggiore efficienza, to all’interfaccia fra metallo e silicio, riducendo i
perché è meno suscettibile alla ricombinazione centri di ricombinazione. In seguito al processo
intrinseca, così come alla ricombinazione di tipo di firing (sinterizzazione) si vengono a formare
Shockley-Read-Hall (SRH) con contaminanti co- gli strati di BSF solo nelle zone di contatto. La
me il ferro [12]. Inoltre, per una data resistività, ricombinazione può essere ridotta ulteriormente
il silicio di tipo n ha una corrente di saturazione definendo una regione diffusa localmente con
al buio (dark current) più bassa. Come risultato 6
L’acronimo PERC può anche essere indicato anche con
la vita media dei portatori è significativamente Passivated Emitter and Rear Contact.
Ithaca: Viaggio nella Scienza XV, 2020 • Tecnologie fotovoltaiche 90alte concentrazioni di drogante appena sotto il vaggio meccanico, può indurre danneggiamento
contatto con il metallo. delle celle degradando le proprietà elettroniche
È importante sottolineare che l’architettura tra- e meccaniche e causare problemi di affidabilità
dizionale della cella è stata regolarmente usata [13].
sin dalla metà degli anni ’80. Da allora, man- Dal punto di vista dell’affidabilità, i moduli
tenendo le stesse architetture si è avuto un no- fotovoltaici presentano fenomeni di degrado in
tevole sviluppo tecnologico, con paste condut- seguito all’esposizione all’ambiente esterno e alla
tive migliori per i contatti frontali, fingers (piste luce stessa. Tali fenomeni condizionano l’affida-
metalliche) più sottili e rivestimenti antiriflesso bilità dei moduli commerciali che sono realizzati
ottimizzati. per resistere anche in zone con climi estremi per
Ci sono voluti circa 30 anni perché l’industria molti anni. Fra i fenomeni di degrado più cono-
fotovoltaica raggiungesse i livelli di efficienza sciuti vi è quello indotto dalla esposizione alla
ottenuti in origine nei laboratori di ricerca. luce (Light Induced Degradation, LID).
Il fenomeno della LID nel silicio cristallino fu
osservato per la prima volta negli anni ’70 [14].
Quando le celle al silicio cristallino iniziarono a
diffondersi, la LID iniziò a destare molta preoc-
cupazione a causa dell’impatto sulla stabilità a
lungo termine degli impianti. Il fenomeno della
LID è legato ai complessi boro-ossigeno (B-O)
[15], difetti composti da un atomo sostituzionale
di boro e due atomi di ossigeno interstiziali. La
formazione e la soppressione di tali complessi
metastabili sono attivate termicamente, ma di-
pendono anche dalla intensità della luce. La LID
è quindi legata al tipo di drogaggio del silicio
Figura 11: A sinistra un modulo a 72 celle, con celle inte- e si manifesta in wafer di Si drogati con boro,
re. Al centro il passaggio da una cella intera comunemente usato per ottenere il drogaggio di
alla cella divisa in due. A destra il modulo tipo p. La LID non si osserva o si manifesta in
assemblato con 144 mezze celle. L’area di si- minima parte nelle fette di Si di tipo n.
licio risultante è più grande con conseguente
aumento della potenza del modulo. Oggi tale fenomeno viene mitigato, ma non
completamente soppresso, con un processo di
Negli ultimi anni la geometria del modulo di illuminazione (illumination annealing). Di recente
silicio si è complicata ulteriormente con l’intro- è stato scoperto un nuovo fenomeno di degrado
duzione di schemi di assemblaggio più sofisticati del silicio di tipo p, indotto sempre dalla luce ma
che utilizzano il concetto di half cell e shingling attivato dalla temperatura [16].
[13]. Tale fenomeno è noto come Light and elevated
L’approccio half cell (mezze celle) consiste nel Temperature Induced Degradation (LeTID) e può
tagliare in due parti le celle solari ed assemblar- portare a riduzioni importanti della potenza (dal
le sul modulo. In altre parole da una struttura 5% al 10%) [17].
a 72 celle intere si passa ad una struttura a 144 Un altro importante fenomeno di degrado è
mezze celle. Il vantaggio deriva dalla riduzione noto come PID (Potential Induced Degradation) ed
delle perdite dovute alla resistenza serie che si è legato alla migrazione del sodio o di altre impu-
riduce dimezzando l’area della cella, ma anche rezze che dal vetro si muovono nel silicio, causan-
da una migliore gestione della luce catturata gra- do fenomeni di correnti di perdita che portano
zie all’aumento della frazione di area attiva di al repentino degrado del modulo [18].
silicio nel modulo. Il miglioramento si traduce Il degrado PID può essere ridotto con appositi
in un aumento relativo del 3-4% della potenza strati barriera che bloccano la migrazione del so-
del modulo. Il processo di taglio e separazione dio e altri ioni mobili. In particolare, è molto im-
delle celle, ottenuto con laser e conseguente cli- portante lo strato di incapsulante che deve agire
Ithaca: Viaggio nella Scienza XV, 2020 • Tecnologie fotovoltaiche 91Figura 12: Il segmento di mercato dei moduli bifacciali è destinato a crescere negli anni come mostrato nella figura tratta
dall’analisi della ITRPV 2019 [4] . La quota di mercato aumenterà dal 10% nel 2020 al 40% nel 2028. Un
modulo bifacciale è in grado di rispondere anche alla luce che arriva sulla faccia posteriore per diffusione o
riflessione del terreno, aumentando le prestazioni dal 5% al 25% in più in base all’albedo del terreno.
come barriera non solo per l’umidità ambienta- tale che su quella posteriore, facendo in modo
le, ma anche per la migrazione delle impurezze che la luce raggiunga il materiale assorbitore
provenienti dal vetro. Gli incapsulanti sono fogli anche dalla faccia posteriore della fetta di silicio.
polimerici a base di etilene vinil acetato (EVA) o Quando l’elettrodo metallico continuo sul re-
di poliolefine (POE), che sono laminati insieme tro viene sostituito con una griglia metallica, la
al vetro, le celle solari e lo strato polimerico di superficie di contatto si riduce e la resistenza di
tedlar usato comunemente sul retro del modulo. contatto aumenta le perdite resistive. Quindi è
necessario trovare un compromesso fra la quan-
tità di luce che attraversa le griglie e mantenere
Moduli bifacciali una bassa resistenza di contatto.
La tecnologia bifacciale si è consolidata sul mer- Il compromesso determina le prestazioni fi-
cato di recente. I moduli bifacciali sono in grado nali delle celle solari bifacciali sia in termini di
di utilizzare la luce che arriva sia sulla faccia efficienza di conversione misurata sulla faccia
frontale che sulla faccia opposta. L’opzione è frontale che del rapporto di bifaccialità (defini-
in grado di offrire un aumento medio dell’ener- to come il rapporto fra l’efficienza misurata sul
gia prodotta dal 5% al 20% o anche maggiore in retro e quella misurata sulla faccia frontale).
caso di installazioni in terreni con elevata riflet- Non tutte le architetture di celle solari al si-
tività o albedo. Con tale approccio è possibile licio cristallino o policristallino presentano un
aumentare le prestazioni dei moduli senza un rapporto di bifaccialità elevato, anche se hanno
aumento significativo dei costi, anche se è richie- una griglia sul retro per far passare la luce. Le
sto l’utilizzo di un vetro, o uno strato polimerico, tecnologie più diffuse come le PERC+ (variante
trasparente sul retro del modulo. Il segmento bifacciale delle PERC) richiedono un’ottimizza-
di mercato relativo ai moduli bifacciali è cresciu- zione della passivazione anche sul retro. Tipica-
to notevolmente in pochi anni e si prevede che mente, le celle PERC+ presentano un rapporto di
continui a crescere ancora nei prossimi anni. Si bifaccialità intorno al 60-70%. È difficile superare
prevede infatti che la quota di mercato dei mo- questi valori a causa dello spesso strato di passi-
duli bifacciali supererà il 30% della produzione vazione sul lato posteriore che assorbe una parte
fra il 2021 e il 2022 [2]. di luce. Vi sono altre architetture che presentano
Le celle solari bifacciali sono realizzate ponen- una maggiore simmetria nella struttura della cel-
do una griglia metallica sia sulla superficie fron- la, come nel caso della cella a eterogiunzione di
Ithaca: Viaggio nella Scienza XV, 2020 • Tecnologie fotovoltaiche 92Figura 13: Rappresentazione schematica di una cella ad eterogiunzione di silicio (HJT). La cella è costituita da silicio
monocristallino di tipo n con spessore di circa 140 µm sulle cui facce sono depositati strati molto sottili di
silicio amorfo idrogenato con la sequenza n/i o p/i. lo strato intrinseco (i) è a contatto con la superficie testu-
rizzata del silicio, e viene attraversato dalle cariche per effetto tunnel. A destra, le prestazioni record di una
cella di Si HJT, che raggiunge il 24.6% di efficienza, realizzata nell’ambito delle attività di ricerca e sviluppo
di Enel Green Power in collaborazione con il centro di sviluppo tecnologico INES - Liten del CEA Francese
(Institut Nationalle de L’Ẽnergie Solaire - Commissariat à l’Ènergie Atomique et aux Ènergies Alternatives).
Il risultato record è stato certificato ufficialmente dal Cal-Tech dell’ISFH tedesco (Institut für Solarenergie-
forschung in Hamelin) a gennaio 2020. È un prototipo industriale che si può trasferire in produzione per
essere fabbricata in massa nel prossimo futuro. Le attività di ricerca coinvolgono i più importanti centri di
sviluppo tecnologico europei nell’ambito del programma Europeo "Horizon 2020", denominato Ampere [19],
coordinato da Enel Green Power.
silicio che discuteremo nel prossimo paragrafo. Nel tempo sono stati introdotti diversi approc-
ci per ridurre la ricombinazione. Tuttavia, no-
nostante il fatto che il dielettrico usato per la
La Tecnologia a eterogiunzione passivazione consenta una riduzione significati-
di silicio va della ricombinazione superficiale, il contatto
diretto del metallo con il silicio, che introduce
Migliorare l’efficienza di conversione delle celle centri di ricombinazione, rappresenta un limi-
solari è cruciale per favorire l’utilizzo di energia te importante per le tecnologie che utilizzano
fotovoltaica. Proprietà essenziali per il dispositi- silicio cristallino. Nelle celle solari più diffuse,
vo come: la vita media dei portatori di carica, la come le PERC, si ottiene un compromesso fra
resistenza serie e le proprietà ottiche devono esse- la superficie totale di contatto e la passivazione
re tutte ottimizzate per ridurre le ricombinazioni superficiale tramite piccole aperture effettuate
e le perdite ottiche e resistive [20]. localmente nel dielettrico, utilizzando un laser.
Il progresso della qualità elettronica del silicio Il problema viene quindi ridimensionato ma non
monocristallino è una leva importantissima per eliminato. Per migliorare ulteriormente le pre-
aumentare l’efficienza delle celle solari di silicio. stazioni della cella solare è necessario eliminare
Essenzialmente, le celle solari devono generare ogni struttura che induca la ricombinazione dei
il maggior numero di cariche tramite l’assorbi- portatori di carica nel silicio.
mento della luce, ma anche assicurare che tali La tecnologia a eterogiunzione di silicio (Hete-
cariche in eccesso siano raccolte efficacemente ro Junction Technology, HJT) combina i vantaggi
e non si ricombinino mentre si muovono verso delle celle a silicio monocristallino (c-Si) con il
gli elettrodi. Questa è la caratteristica principale buon coefficiente di assorbimento della luce e
per evitare la ricombinazione delle cariche alle le eccellenti proprietà di passivazione del sili-
superfici della fetta di silicio, che diviene sempre cio amorfo idrogenato. La cella trae beneficio
più importante con la riduzione dello spessore dall’alto band gap (Eg ) del silicio amorfo idroge-
del silicio nelle celle solari. nato (Eg =1.75 eV) che, grazie all’eterogiunzione
Ithaca: Viaggio nella Scienza XV, 2020 • Tecnologie fotovoltaiche 93con il silcio cristallino (Eg =1.15 eV), consente
una migliore passivazione degli strati di superfi-
cie. Rispetto agli approcci più comuni (Al-BSF
e PERC), la passivazione della cella a eterogiun-
zione è una soluzione più elegante con contatti
passivanti non metallici, che si comportano si-
multaneamente come strato di passivazione e di
contatto.
Una caratteristica di fondamentale importan-
za per le celle HJT è che i contatti metallici sono
elettronicamente separati dalla parte attiva di si-
licio che assorbe la luce, grazie all’inserimento
di uno strato con band gap più grande (silicio
amorfo) e un contatto non metallico trasparente
TCO (Transparent Conducting Oxide), ottenuto con Figura 14: Confronto fra i flussi di processo per realizza-
una lega di ossido di indio e di stagno (Indium re celle PER e PERT e celle HJT. Il processo
Tin Oxide, ITO). Ciò porta a valori record di Voc , HJT ha un minor numero di operazioni ri-
senza la necessità di aprire contatti localmente. spetto a PERC e PERT. Questo rende molto
Grazie a questa caratteristica, la cella HJT rag- più efficace l’utilizzo di operazioni automa-
tizzate, riducendo i costi necessari per realiz-
giunge efficienze più alte rispetto alle tecnologie
zare le celle. Inoltre a tecnologia HJT è un
convenzionali, superando senza problemi il 23%, processo a bassa temperatura e ciò permette
con la possibilità di avvicinarsi di più al limite di preservare al meglio le proprietà intrinse-
teorico di S-Q. che delle fette di silicio e permette l’utilizzo di
Nelle HJT le cariche generate dalla luce pos- fette più sottili. Il processo PERC e PERC+
si basa sulla diffusione di droganti e richiede
sono fluire abbastanza lentamente attraverso lo quindi alte temperature (>800◦ C) che degra-
strato di passivazione da generare una elevata dano le caratteristiche elettriche e meccaniche
tensione e, contemporaneamente, sono veloci ab- del wafer. Per la HJT i processi di deposizione
bastanza da evitare la ricombinazione. Tale stra- avvengono a temperatura relativamente bassa
to agisce come una membrana semipermeabile e la massima temperatura è inferiore a 200◦ C,
consentendo di preservare le proprietà elettri-
per l’estrazione dei portatori di carica. Il con- che e meccaniche dei wafer e permettendo l’u-
cetto di HJT ha una certa affinità con la struttu- tilizzo di wafer più sottili (riducendo il costo
ra metallo-isolante-semiconduttore (MIS), che si del silicio).
basa sull’effetto tunnel quantistico attraverso un
sottile strato dielettrico [12]. Per una cella HJT
si può utilizzare uno strato molto sottile di sili- della cella PERC e della cella HJT. Dopo l’ispe-
cio amorfo idrogenato di pochi nanometri che si zione iniziale dei wafer di silicio si effettua il pro-
comporta come barriera tunnel. Per trarre van- cesso di testurizzazione dei wafer in un bagno
taggio dall’elevato livello di passivazione della chimico a base di KOH, lavaggi con acqua, con
struttura HJT è importante utilizzare silicio mo- HCl e uno step finale in acido fluoridrico. In se-
nocristallino con elevata lunghezza di diffusio- guito si effettua la deposizione del silicio amorfo
ne dei portatori minoritari, è quindi necessario idrogenato con tecnica PECVD (Plasma Enhanced
utilizzare wafer di tipo n. Chemical Vapor Deposition) con la sequenza i/n
Poiché si riesce a migliorare ulteriormente la sulla faccia frontale e i/p sulla faccia posteriore (i:
passivazione del silicio con processi molto effica- intrinseco, n: drogato con fosforo, p: drogato con
ci e a bassa temperatura, vi è un grande interesse boro). La PECVD è una tecnica di deposizione
da parte dei costruttori dei moduli fotovoltaici. che, generando plasmi con campi elettrici oscil-
La cella HJT detiene il record di efficienza del lanti a radiofrequenza, permette di dissociare i
silicio, vicino al 27%, riportato nella Figura 7. gas precursori a base di silano (SiH4 per formare
La Figura 14 riporta il confronto fra i flussi silicio amorfo), fosfina (PH3 per il drogaggio di
di processo per la fabbricazione rispettivamente tipo n), di-borano (B2 H6 per il drogaggio di tipo
Ithaca: Viaggio nella Scienza XV, 2020 • Tecnologie fotovoltaiche 94p) e idrogeno (H2 ). Una volta dissociato il silicio permettendo elevate prestazioni. Infatti, mentre
si deposita sul substrato in modo conforme in la tecnologia PERC+ presenta un fattore di bifac-
forma amorfa. È possibile controllare in modo cialità che non supera il 70%, la elevata simme-
molto preciso lo spessore dello strato depositato tria della struttura della cella HJT, mostra una
(si tratta di 5nm per lo strato di silicio amorfo bifaccialità fra il 90 e il 95%. Oltre alle migliori
intrinseco e meno di 10nm per il silicio amorfo prestazioni in termini di efficienza di conversio-
drogato p o n). La temperatura del processo di ne e di bifaccialità le celle HJT presentano altri
deposizione è inferiore ai 200◦ C. Il silicio amorfo vantaggi, che si osservano principalmente nella
contiene un’alta percentuale di idrogeno (silicio quantità di energia elettrica prodotta in media
amorfo idrogenato, a-Si:H), che contribuisce sia in un campo solare. La migliore passivazione
a definire il band-gap che a fornire un ricco serba- superficiale consente un maggior controllo delle
toio di idrogeno, il quale agisce come passivante prestazioni della cella all’aumentare della tempe-
dei legami insaturi del silicio cristallino (dangling- ratura, con un coefficiente di degrado che è signi-
bonds) all’interfaccia. Dopo la deposizione de- ficativamente minore rispetto alle celle di silicio
gli strati di passivazione con il silicio amorfo si convenzionali (PERC, AI-BSF). Oltre alla stabilità
effettua una deposizione di ossido trasparente in temperatura si osserva per le HJT un miglior
conduttivo (Transparent Conducting Oxide, TCO) comportamento a bassa irradianza, che si spiega
tramite Physical Vapor Deposition (PVD). Si tratta con le buone proprietà di antiriflesso del TCO
di una tecnica di deposizione sotto vuoto in cui anche ad angoli radenti e bassa intensità lumino-
si utilizza un materiale solido come precursore, sa. Il comportamento dei moduli HJT tende ad
che viene bombardato da ioni inerti (argon) o essere persino più favorevole nel tempo grazie al
reattivi (ossigeno). Dalla fase solida si passa alla minor degrado. Essi presentano grande resisten-
fase vapore grazie al processo di erosione (sputte- za nei confronti dei fenomeni classici di degrado
ring) del target bombardato dagli ioni. Gli atomi di cui soffrono le celle di silicio convenzionali
o le molecole rimosse dal target si depositano (LID, PID, LeTID). La maggior resilienza della
sul substrato. In questo caso si ottiene un film di tecnologia HJT rispetto a fenomeni di degrado,
TCO che è una lega a base di ossido di indio e in che affliggono le tecnologie PERC e AI-BSF, de-
minor parte di ossido di stagno. Per tale motivo riva dalla combinazione dell’utilizzo delle fette
si definisce ITO (Indium Tin Oxide). Lo strato di di silicio di tipo n con la deposizione di silicio
ITO ha la funzione di pellicola trasparente con- amorfo idrogenato e la deposizione del TCO. Il
duttiva con una resistenza di strato da 5 a 100 TCO, depositato su entrambe le facce della cella
Ω/quadro. Essa agisce da finestra, per far sì che solare, oltre ad essere un contatto e comportarsi
la luce raggiunga il materiale attivo sottostante, come strato di antiriflesso agisce anche da bar-
e come contatto ohmico per l’estrazione della ca- riera al sodio ed altre impurezze, che migrando
rica dal sistema fotovoltaico. Per raccogliere la nel silicio causano il fenomeno PID (Potential In-
carica in modo più efficace è necessario anche duced Defects). Infine, l’utilizzo di fette di silicio
depositare una griglia metallica (di argento) che n rende le celle HJT immuni al fenomeno della
viene stampata per serigrafia sul TCO. Pur ba- LID, perché l’assenza del boro aiuta a eliminare
sandosi su processi tecnicamente più sofisticati, il degrado della Voc durante l’esposizione alla
la tecnologia HJT è caratterizzata da un flusso luce. Nella Figura 15 sono riportate le caratteri-
di processo semplice con un numero limitato di stiche di migliori prestazioni, sia in termini di
operazioni, significativamente minore rispetto maggior efficienza, migliore produzione di ener-
alle tecnologie convenzionali. La cella HJT ha gia e le caratteristiche di migliore affidabilità dei
una struttura simmetrica e le superfici del silicio moduli HJT rispetto alle altre tecnologie in com-
vengono passivate con strati deposti di spessore mercio. In termini di costo livellato dell’energia
equivalente sia sul fronte che sul retro della cella (LCOE) la tecnologia HJT ha le caratteristiche mi-
[21, 22, 23]. gliori per ridurre significativamente il costo per
la produzione di energia (vedi Figura 16). La tec-
La struttura simmetrica e l’utilizzo di una gri-
nologia HJT presenta una serie di caratteristiche
glia frontale e una sul retro della cella rende le
interessanti per poter diventare la tecnologia più
celle HJT compatibili con l’architettura bifacciale,
Ithaca: Viaggio nella Scienza XV, 2020 • Tecnologie fotovoltaiche 95Figura 15: Caratteristiche e vantaggi della tecnologia HJT rispetto alle tecnologie convenzionali
diffusa dal punto di vista industriale. Se confron-
tata con le principali tecnologie basate sul silicio
cristallino, essa ha notevoli vantaggi in termini di
efficienza di conversione, di produzione media
di energia e di maggiore resilienza che la carat-
terizzano per un minore costo dell’elettricità.
Figura 17: Struttura idealizzata di cella con contatti se-
lettivi per elettroni e lacune (a sinistra). In
corrispondenza dell’elettrodo nella regione p,
gli elettroni (in rosso) in banda di conduzio-
ne vedono una barriera che li respinge in di-
rezione opposta, verso il contatto della zona
n. Viceversa le lacune (in blu) nella banda di
valenza vedono la barriera nella zona n e ven-
gono respinte per essere raccolte nella zona p.
A destra in alto una struttura con contatti se-
lettivi rappresentata da eterogiunzione di si-
licio cristallino e silicio amorfo di tipo e p e
Figura 16: Confronto fra le varie tecnologie presenti in n, separati dal silicio cristallino da una sot-
commercio, basate sull’utilizzo di silicio cri- tile barriera tunnel di silicio amorfo intrin-
stallino. Dal punto di vista del costo livella- seco. In basso a destra una struttura inno-
to dell’energia la tecnologia HJT presenta il vativa ottenuta con MoOx , WOx o VOx per
miglior comportamento [23]. selezionare le lacune e TiO2 MgF2 , ZnO per
selezionare elettroni.
Il principale vantaggio della tecnologia HJT
è dato dalla migliore passivazione con il silicio BSF e le PERC. Quest’ultime, pur migliorando
amorfo delle superfici del silicio, ottenuta con lo schema di passivazione rispetto alle celle Al-
la deposizione di silicio amorfo. La passivazio- BSF, hanno comunque il problema del contatto
ne riduce notevolmente la ricombinazione dei diretto del metallo con il silicio, che induce la
portatori rispetto alle altre tecnologie come le Al- presenza di centri di ricombinazione. Nel caso
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