Il paradosso del fotovoltaico. Per il mercato è boom, ma la tecnologia è in crisi: è vecchia ed ha poco rendimento

Quella del fotovoltaico è un'industria un po' paradossale.
Stando alle cifre di mercato è in pieno boom. Con una curva di accelerazione dei suoi tassi di crescita (oggi al 34% annuo su base mondiale) che dal 2000 a oggi appare in progressione quasi esponenziale.
Eppure, se lo si osserva da dentro, il fotovoltaico è tuttora sostanzialmente basato su una tecnologia ferma, e in crisi. Che, almeno per ora, si espande solo e soltanto grazie a forti sussidi pubblici.
«La cella fotovoltaica tradizionale in silicio, che ancora fa il grosso di questa industria, non migliora la sua efficienza intrinseca da più di un decennio – spiega Salvo Coffa, responsabile della ricerca avanzata per l'St Microelectronics di Catania –, è bloccata a un 16-20% di conversione massima della luce solare in elettricità, e a temperatura ambiente. Se poi queste celle le misuriamo in condizioni reali, ovvero ad almeno 70 gradi centigradi di insolazione, il rendimento cala ulteriormente. E infine se le analizziamo dal punto dei vista dei costi industriali le cifre sono anche più deludenti. Il chip fotovoltaico in silicio è infatti un dispositivo elettronico a basso valore aggiunto: in pratica un semplice diodo replicato all'infinito su una fetta di costoso cristallo di silicio "solar grade". Cinque euro per la fetta e solo 0,5 euro di valore aggiunto per il fotovoltaico. La si può produrre anche con macchinari messi in un garage. Il materiale di base, scarso, quindi ne decide il costo, che non riesce a scendere da anni. E in questa morsa tra bassa efficienza e costi rigidi risiede, da tempo, il grande problema del fotovoltaico».

Come uscirne? Innumerevoli gruppi di ricerca, accademici e indu-striali, oggi sono al lavoro su diversi approcci in Usa, Asia e Europa. Su un obiettivo duplice: «Aumentare l'efficienza dei pannelli solari ben oltre il 20% e ridurne i costi. Ma spesso i due obiettivi non coincidono » osserva Coffa.

Per esempio: si sono già ottenute, in laboratorio, efficienze record del 40% su sistemi fotovoltaici costituiti da celle a tripla giunzione (in pratica tre superfici fotovoltaiche sovrapposte, ciascuna in grado di catturare e convertire i principali colori della luce solare, anziché uno solo, come fanno le celle in silicio tradizionali).

Queste costose celle a triple junction (fino a pochi anni fa esclusivamente riservate ai satelliti e alle navette spaziali), se associate a lenti di concentrazione (come quelle di Fresnel o anche specchi parabolici, capaci di focalizzare il sole anche centinaia di volte) possono arrivare appunto al 40% di efficienza.

«Ma al prezzo di costi elevati, materiali esotici come l'indio e il gallio, e un difficile allineamento della lente di concentrazione con connessi problemi di raffreddamento del sistema».

«L'altra strada, quella che stiamo seguendo da anni, è quella della producibilità su vasta scala, e a costi via via decrescenti, di pannelli solari a film sottile. Qui, invece di macchine super-sofisticate di deposizione e drogaggio a triplo strato si possono utilizzare impianti non molto diversi da quelli che oggi producono gli schermi a cristalli liquidi. Ovvero grandi fabbriche in grado di lavorare vetri anche di otto metri quadrati alla volta, con una produttività elevatissima». Fotovoltaico su vasta scala, quello a film sottile. Ma finora con un handicap evidente.

«Con la tecnologia di oggi – spiega Coffa – non si riesce a raggiungere nemmeno il 20% delle vecchie celle a silicio. E anche qui la curva di miglioramento prevedibile per i prossimi anni non è esaltante». Per questo il gruppo di ricercatori dell'St Microelectronics di Catania ha deciso, già da tempo, di esplorare una strada nuova.

Il pannello a film sottile è in pratica una sorta di sandwich su vetro. Un primo strato è l'elettrodo inferiore, poi uno di silicio opportunamente drogato fa l'effetto fotovoltaico (i fotoni che liberano elettroni) e infine un elettrodo trasparente superiore completa il sistema e assicura la corrente elettrica.

«Il cuore del pannello sta nello strato intermedio fotovoltaico. E qui possono entrare in gioco le nanotecnologie. Sappiamo infatti che sotto i 7 nanometri (miliardesimi di metro) opera una fisica diversa, quantistica. E che strutture nanometriche sono in grado di convertire luce in elettroni liberi in modo estremamente efficiente, ben al di sopra dei limiti attuali ».

In pratica: infinitesime nanostrutture (per esempio piramidi) possono generare elettroni dalle frequenze blu, verdi e rosse della luce solare. Allo stesso modo, a grandi linee, con cui lavora la cella a tripla giunzione, «ma con una semplicità intrinseca di un ordine di grandezza superiore» osserva Coffa. Non solo: il pannello a film sottile nanotech del prossimo futuro sarà così basato su materiali abbondanti e a basso costo: «Tanto vetro e poco silicio, con pochissimi droganti e metalli rari, una tecnologia a prova di futuro, anche per alti volumi». Detto così il progetto di ricerca del team catanese sembra semplice: «Noi ci siamo arrivati dopo anni di sviluppo sulla microelettronica dei sensori e grazie alla capacità produttiva submicron dell'azienda – spiega Coffa – sappiamo anche di gruppi universitari al lavoro su questa pista. Che però è e resta d'avanguardia». Proprio per questo Coffa ci scommette: «Supponiamo che avessimo a disposizione una linea produttiva pilota, tipo Lcd. Un impianto, per ipotesi, da 100 megawatt annui, o da 250 milioni di euro di costo. Entro pochi anni potremmo sperimentare e poi affinare in produzione i primi pannelli ad alta efficienza, al 20% e persino il 30 per cento. Questa tecnologia nanometrica su film sottile infatti può evolvere rapidamente. E non starà ferma». Architetture via via più calibrate delle nanostrutture, pannelli sempre più densi di componenti attive, integrazione sui pannelli stessi dei circuiti fotovoltaici di conversione elettrica (inverter) e di controllo ottimizzato del pannello... «all'inizio usciranno anche pannelli al 10%, ma c'è da scommettere che dopo 10 anni saremo a tre volte tanto». E intanto il gioco delle economie di scala opererà sui costi, al ribasso, «così come oggi avviene sugli schermi Lcd».
E a quel punto, immagina Coffa, il fotovoltaico avrà infranto il suo muro del suono.
Non avrà più bisogno di sussidi e incentivi per divenire la forma di energia solare più diffusa, economica e versatile sulla faccia del pianeta.

di Giuseppe Carovita per Nova de Il Sole 24 Ore


Tutto il sole in una grid

di Giuseppe Caravita