Fotovoltaico, il Santo Graal dell’efficienza è al 25%

Si fa presto a dire record…

di Alessandro Abbotto∗

Capita abbastanza di frequente nel campo fotovoltaico di leggere di nuovi record di efficienza, a volte straordinari, che sembrano aprire rilevanti prospettive in campo tecnologico (leggi). Ma  è sempre oro quel che luccica?

Se mi chiedete se il record è genuino, la risposta è certamente affermativa (questi valori vengono spesso confermati da enti certificatori indipendenti). Ma se lo considerate in senso assoluto, allora no, probabilmente sbagliate. Perché spesso viene raccontata, come direbbe Montalbano, “la mezza messa”. Il problema è che esistono molti fattori quando si parla di record. Che è importante tenere in conto altrimenti parliamo di punteggi di squadre che gareggiano in campionati o categorie diverse e che, quindi, non sono confrontabili.

Fotovoltaico e efficienza: cosa significa

Per semplicità qui parliamo solo dei due principali criteri: la multigiunzione e la scala del dispositivo. Ma prima ancora bisogna specificare che esistono, in campo fotovoltaico, diversi tipi di efficienza. Quella che a noi interessa è l’”efficienza di conversione energetica”, cioè quanto bene l’energia solare viene convertita in energia elettrica. I media, e in particolare i comunicati stampa, in realtà spesso si riferiscono, di proposito, ad altri tipi di efficienze, per le quali valori del 100% (ad esempio per l’efficienza quantica interna) sono a portata di mano. Ma è chiaro che questo valore non ha alcun significato per il cittadino comune ma solo per il tecnico addetto ai lavori. Eppure, vengono usati lo stesso per gettare, diremmo un po’ di fumo negli occhi. Immaginate un titolo che dica “Record fotovoltaico di efficienza del 100%” quando un tipico pannello commerciale, quando va bene, arriva al massimo al 20%.

La cella singola, in silicio

Ma ritorniamo ai criteri. Partiamo dal primo. La questione potrebbe coprire un intero corso
universitario ma la si può sintetizzare in una frase: cella singola (a rigori, monogiunzione) o cella multipla (multigiunzione o anche cella tandem). Il protagonista incontrastato delle celle singole dal punto di vista commerciale (grazie all’enorme crollo dei costi dell’ultimo decennio per via della produzione asiatica) è il silicio, che ha un record attuale di poco meno del 27%, che sembra alto ma è di fatto poco lontano dal record raggiunto già 25 anni fa (24%). Quindi siamo arrivati ormai al plateau, con piccoli miglioramenti. Il record assoluto è in mano ad un altro materiale, l’arseniuro di gallio (29%), un materiale tuttavia molto meno disponibile, più costoso e più tossico. Fino a quanto ci si può spingere? Il valore massimo raggiungibile viene detto limite teorico. Il limite teorico di una cella singola è del 33%. Resterà inavvicinabile per ancora un bel pò di tempo, almeno dal silicio.

La cella multigiunzione? Costa troppo

Poi vi sono le celle multigiunzione, che sono tutta un’ altra questione, un altro “campionato”. Qui 2, 3, fino anche a 5 celle di diversa natura (cioè con materiali diversi) vengono integrate (a volte semplicemente impilate letteralmente una sopra l’altra) in un unico dispositivo, allo scopo di sfruttare le caratteristiche complementari (ad esempio assorbimento di diverse porzioni della radiazione solare) e cosi aumentare l’efficienza complessiva. Con questo approccio al fotovoltaico si sale molto di efficienza e si riesce ad arrivare, già da qualche anno, attorno al 40%. Anche i limiti teorici di riferimento cambiano e passano dal 33% della cella singola vista prima, al 42% della doppia, al 49% della tripla e così via. Se si proseguisse all’infinito si arriverebbe ad un limite teorico dell’87%.

Sempre in riferimento allo studio citato nel link, l’efficienza riportata per la cella tandem (30%) va quindi letta in base al riferimento teorico del 42%. Inoltre, non si tratta di un record ma solo di un ottimo valore (il record per una cella tandem è attorno al 33% ed è stato ottenuto 4 anni fa). Tutto questo vale in presenza di irradiazione solare standard. Poi vi sono, possiamo dirla così, dei “trucchi” volti ad aumentare ulteriormente

Record sì, ma con qualche “trucco”

l’efficienza. Il più comune è quello di concentrare la luce solare. In questo modo si è arrivati, già da alcuni anni, ad efficienze vicine al 50%! Però, come detto, si tratta di un marchingegno che non dipende dalla bontà della cella in sé ma dalla possibilità di raccogliere meglio la luce solare.

Potreste obiettare: ma a me non interessa che sia dell’uno o dell’altro tipo, basta che funzionino ad alta efficienza. Il problema è che, ogni volta che introduco un elemento migliorativo (cella tandem o luce concentrata) aumento, in alcuni casi significativamente, la complessità e, quindi, i costi del dispositivo. Tali che, nella maggior parte dei casi, il costo diventa troppo proibitivo per giustificare l’aumento di efficienza, a meno che il compromesso prestazioni/costo abbia meno importanza. Le applicazioni spaziali (satelliti), utilizzano le costosissime celle a multigiunzione con efficienze maggiori del 30-35%.

Una questione di “scala”

Infine, dobbiamo considerare considerare la scala, ovvero le dimensioni del dispositivo. Ogni volta che si legge di un record, stiamo parlando di dispositivi in scala di laboratorio. Che, tradotto, in altri termini, spesso vuol dire aggeggi della grandezza di pochissimi millimetri. Se andate su una scala commerciale (decine di centimetri o metri) l’efficienza diminuisce (in alcuni casi crolla). Per dare un’idea, l’efficienza massima del silicio in laboratorio è del 26% ma per il pannello commerciale “top di gamma” è poco più del 20% (e l’efficienza di quelli più comuni, da centro bricolage, ancora minore, attorno al 13-15%). L’efficienza del pannello fotovoltaico Tesla è di poco inferiore al 20% con un costo, negli Stati Uniti, di circa 10.000 dollari per una potenza titpica residenziale di 4 kW.

Ma quindi il “record” dell’Helmholtz Centrum” è da scartare? Tutt’altro. È molto importante, perché si tratta del più alto valore ad oggi per un tipo particolare di cella tandem, quella a base di perovskite e silicio, entrambi materiali relativamente poco costosi e, in particolare il primo, facili da assemblare nel dispositivo. Non è il record per le celle tandem e siamo lontanissimi dal valore teorico del 42%. Ma, grazie a questo studio e anche altri in giro per il mondo (tra cui l’Italia), il traguardo di arrivare a pannelli tandem commerciali a base di materiali low-cost (non quindi più solo per applicazioni spaziali) ed efficienze vicine al 25% appare meno lontano. Già oggi il silicio da solo, con efficienze sul mercato del 15-20% è, in molti casi, più conveniente del gas naturale per la produzione di elettricità. Quando saremo arrivati al 25% (a parità di costi) non ci sarà più gara. Né alibi per non acquistarli per la propria casa.

∗ Direttore del Dipartimento di Scienza dei Materiali dell’Università di Milano – Bicocca