Il fotovoltaico è dominato da decenni dal silicio, con un market share del 90%. Sono state dimostrate celle di laboratorio con efficienza pari al 25.6%, molto vicine al limite di Queisser-Shockley, e i moduli di silicio piu efficienti raggiungono efficienze del 22%, con celle simili a quelle record di laboratorio. Quindi sul fronte del fotovoltaico da silicio a giunzione singola non c’è più spazio per miglioramenti radicali. Poiche il costo delle istallazioni fotovoltaiche risulta proporzionale all’area del campo fotovoltaico, è dunque chiaro che il principale modo per ridurre il costo dell’energia è incrementare l’efficienza dei moduli, riducendo l’area a parità di potenza nominale istallata.
Quindi, i concetti di cella solare che incrementano ulteriormente significativamente l’efficienza sono di grande interesse, per rendere il costo dell’energia da solare fotovoltaico economicamente conveniente. Il Progetto BEST-4U propone appunto direttamente una soluzione a questo problema, con due approcci complementari.
Il primo è quello del modulo a 4 terminali. Questo filone è molto promettente: in una serie di lavori recenti di vari gruppi, è stato dimostrato che l’approccio con celle a 4 terminali (4T), con cella top di InGaP e bottom di Si può permettere efficienze molto alte, teoricamente fino a circa il 39%. Effettivamente le dimostrazioni sperimentali più recenti hanno mostrato risultati ragguardevoli, con il record attuale di efficienza del 32.8%.
Un approccio di questo tipo per. non è percorribile per una produzione industriale, la tecnologia è troppo costosa. L’approccio che si vuole perseguire nel progetto BEST-4U è quello di focalizzare lo studio su tecnologie potenzialmente a basso costo. Per la cella bottom si è scelto la tecnologia della cella di silicio a eterogiunzione Si amorfo / Si cristallino. Questa è allo stato attuale una delle tecnologie più promettenti nel campo fotovoltaico, data l’elevata efficienza ottenibile a fronte di un processo relativamente semplice (essenzialemte solo 5 step principali per la realizzazione). Al fine di ridurre i costi di produzione e renderli competitivi rispetto alle tecnologie di Si concorrenti (PERC, PERC bifacciale, IBC, …), si popone di lavorare su alcuni aspetti, riassunti brevemente di seguito:
Nuovi materiali per l’eterogiunzione che sostituiscano il silicio amorfo idrogenato, quali SiOx, SiCx, ossidi metallici quali MoOx, CuOx, allo scopo di aumentare il VOC e ridurre la resistenza serie
Nuovi materiali per il TCO, per sostituire l’ITO, allo scopo di ridurre i costi, aumentare la trasmittanza, e ridurre la resistenza serie
Metalli che sostituiscano l’argento per la metallizzazione, es. Cu o Al, per ridurre i costi, particolarmente onerosi nel caso delle celle bifacciali.
Riduzione dei costi di metallizzazione, introducendo paste ad elevata condicibilità, stampabili a velocità paragonabili alle paste solari tradizionali, che garantiscano inoltre la stampa di finger sempre piu sottili •Sempre per il processo di serigrafia della metal, l’ottimizzazione dei processi di asciugatura e polimerizzazione, attualmente piuttosto lunghi ed onerosi (rispettivamente 10 e 40 minuti) e l’ottimizzazione della saldabilità delle paste. L’altro aspetto riguarda la cella top. In BEST-4U si è impostato il problema studiando celle con costi produttivi potenzialmente bassi. Un grosso filone di attività riguarda le celle perovskitiche, tipo Ioduro di piombo metil-ammonio (CH3NH3PbI3). Queste hanno mostrato efficienze molto alte, fino a oltre il 20%, promettono costi di produzione molto bassi, possono essere depositate su vetro o materiali flessibili.
In BEST-4U l’innovazione in particolare sarà rivolta verso la definizione di elettrodi trasparenti a banda larga che non disturbino l’assorbimento della radiazione e trasparenti nell’infrarosso, con l’obbiettivo finale di realizzare celle a perovskiti semistrasparenti con alta trasmittanza nel rosso-infrarosso, dove opera la bottom cell di silicio.
Un altro filone riguarderà celle top inorganiche realizzate con semiconduttori III-V, calcogenuri, o fotoferroelettrici. Anche qui le innovazioni che si vogliono perseguire riguardano approcci per ridurre i costi di produzione. In particolare, per le celle di III-V, si vuole sostituire l’indio con il gallio o l’alluminio, lavorando su AsGaP invece che su InGaP. Un altro approccio sarà quello di studiare giunzioni di lnGaN policristallino cresciuto con la tecnica della Pulsed Electron Deposition. Un altro approccio riguarderà lo studio di calcogenuri Cu(In1-xGax)(SySe1-y)2 depositati mediante una tecnica ibrida di sputtering-evaporazione o mediante PED, e kesteriti (Cu1-xLix)ZnSnS4 e Cu2(Zn,Fe)SnS4 realizzate con una tecnica di sintesi sol-gel seguita da trattamento termico.
Il secondo filone fondamentale del Progetto BEST-4U riguarda la bifaccialità dei moduli fotovoltaici. BEST-4U propone un’innovazione radicale, ossia di realizzare celle 4T bifacciali. Inoltre in BEST-4U si studieranno innovazioni per migliorare la bifaccialità considerando aspetti quali il miglioramento dell’albedo del terreno con materiali per trattamenti superficiali (pigmenti, materiali di origine naturale tipo rocce o sabbie, coatings, vernici, selettività verso riflessioni rispetto alle lunghezze d’onda che massimizzino le performance del pannello bifacciale); l’orientazione / geometria di installazione del campo fotovoltaico, includendo sistemi a riflessione a basso costo da integrare nel pannello o da deporre a terra per aumentare la radiazione incidente sul retro dei moduli bifacciali.
In sintesi, BEST-4U propone molte innovazioni sia sulla tecnologia dei moduli bifacciali, esplorando il concetto di cella a 4 terminali, che sull’installazione dei moduli, studiando tecniche per migliorare l’albedo e ottimizzare il sistema.