RICERCA ITALIANA     

Materiali e tecniche per sistemi di conversione fotovoltaica di nuova generazione

Università degli Studi di Ferrara

Abstract

La crescente richiesta di energia a livello mondiale, alimentata anche dal vertiginoso sviluppo economico dei Paesi emergenti, come Cina, India e Brasile, viene soddisfatta in larga misura dal sempre più massiccio impiego di combustibili fossili, con associate emissioni di CO2 ed altre sostanze inquinanti. Lo sviluppo sostenibile richiede l’utilizzo di fonti energetiche di uso semplice ed a basso impatto ambientale disponibili indifferentemente per le popolazioni urbane e rurali, in aree industrializzate o sottosviluppate, distribuita sul territorio per rispondere intensamente all’aumento di domanda energetica mediante sistemi robusti, affidabili e ampiamente modulabili, da pochi watt alle decine di megawatt. Tutto questo si riscontra per la tecnologia fotovoltaica (PV), tuttavia il prezzo corrente di produzione per un solo modulo in funzione delle differenti condizioni di insolazione e della specifica applicazione (grid -centralized, distributed, stand-alone) supera, di un fattore 5 quello da fonte convenzionale. Peraltro, anche in condizioni economicamente favorevoli, anche se la quantità totale di silicio prodotta annualmente venisse completamente impiegata per la generazione forovoltaica, questa sarebbe insufficiente su una scala significativa (dell’ordine del 1%) del fabbisogno energetico nazionale.
La diffusione dell’energia fotovoltaica è dunque impedita da questi fattori limitanti.
In queste condizioni, solamente un importante sforzo nella ricerca potr >>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Giuliano Martinelli Università degli Studi di FERRARA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Lo sviluppo delle tecnologie per lo sfruttamento dell’energia solare è un obiettivo cardine per i paesi industrializzati che, nel medio-lungo periodo, vorranno produrre energia elettrica a costi contenuti e assolvere gli impegni di riduzione delle emissioni sia di CO2 che di inquinanti.

Obiettivo primario del presente progetto è proprio lo sviluppo di prototipi di sistemi fotovoltaici innovativi ad alta efficienza e basso costo che, una volta industrializzati, possano incidere in maniera significativa sulla produzione di energia solare fotovoltaica in Italia.

È ben noto che il maggior drawback alla diffusione del PV è stato l’elevato costo di investimento e di realizzazione aggiunto alla scarsa disponibilità di materia prima, in particolare silicio. Tuttavia, la tecnologia del silicio cristallino, in cui il costo del materiale incide per circa il 50% sul costo complessivo di sistema, al momento attuale copre ancora circa il 90% della produzione mondiale.
È pertanto opinione consolidata che siano indispensabili innovazioni tecnologiche sia per una riduzione dei costi che per un aumento dell’efficienza di conversione; infatti il limite teorico di efficienza delle celle al silicio monocristallino è ~ il 25%, ma va ricordato che i pannelli piani commerciali raggiungono efficienze non superiori al 12-13%.

Il presente progetto ha fra i suoi obiettivi principali lo sviluppo di nuove tecniche e di nuovi materiali per sistemi di >>>

Risultati parziali attesi

La ricerca e lo sviluppo riguardanti fonti energetiche rinnovabili, come il fotovoltaico, oggetto di questo progetto, non possono che avere un impatto benefico sulla società, ma anche sull’economia di un paese, in particolare l’ Italia che possiede sole, tecnologie, ricercatori ed è inoltre estremamente carente di materie prime, venendo così a dipendere in gran parte da Paesi esteri. Un progetto nel PV che coinvolga ampie risorse può quindi porre il nostro paese ai vertici dell’energia solare fotovoltaica sia per produzione interna che per la sua collocazione nel mercato internazionale. È sorprendente pensare che un progetto PV in grado di produrre il 10% dell’energia elettrica in Italia, cioè 35 milioni di Mwh/anno costerebbe alcuni miliardi di Euro, cioè meno del risparmio annuale del solo costo del petrolio per 1 anno, ottenendo energia a costo quasi nullo per almeno 10 anni. Il presente progetto, pur avendo una ridotta dimensione economica, tuttavia può essere di grande rilevanza scientifica e di supporto ai grandi progetti PV che vanno sviluppandosi.

Inoltre, è banale osservare che l’energia PV, a basso impatto ambientale, può contribuire, non solo al fabbisogno energetico, ma anche a contenere le emissioni sia di gas serra che dei principali gas inquinanti l’atmosfera, nonché di particolato, migliorando così lo scenario dei cambiamenti climatici e della qualità dell’aria. Il Piano di Ricerca Nazionale ha infatti individuato nel fotovoltaico un tema di >>>

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Le celle solari multigiunzione basate sui materiali III-V hanno raggiunto efficienze più alte di ogni altro attuale dispositivo fotovoltaico. Si sono osservate efficienze di conversione fino al 39% ad una concentrazione di ~240 soli [1], mentre nell’immediato futuro sono prevedibili efficienze superiori al 40%. Inoltre, questi dispositivi sono attualmente le uniche celle solari disponibili in grado di raggiungere efficienze superiori al 30%. L’alta efficienza è dovuta alla riduzione della perdita per termalizzazione e trasmissione quando viene incrementato il numero di giunzioni p-n; tuttavia, gli elevati costi dei materiali di queste celle solari rapportati con il silicio o con dispositivi a film sottile proibiscono la loro applicazione in moduli a pannello sulla terra. La soluzione a questo problema di costo-efficienza è il loro uso nei sistemi ad alta concentrazione, rimpiazzando in tal modo i costosi materiali delle celle solari con l’ottica, decisamente più economica.
In effetti, fin dai primissimi tempi dello sviluppo delle celle solari fu subito ovvio che l’efficienza della cella avrebbe avuto un forte impatto sul costo dell’elettricità fotovoltaica (PV). In una istallazione PV, molte componenti del costo sono legate all’area (per esempio costi strutturali, incapsulazione, terreno, ecc.); di conseguenza, sistemi con efficienza maggiore richiedono un’area inferiore, abbassando così il costo complessivo. Ad ogni modo, quando si utilizza come materiale un unico >>>