I costi dei pannelli solari sono crollati negli ultimi anni, portando a tassi di installazioni solari di gran lunga superiori a quanto previsto dalla maggior parte degli analisti. Ma con la maggior parte delle potenziali aree di risparmio sui costi già spinte all'estremo, ulteriori riduzioni dei costi stanno diventando più difficili da trovare.

Ora, i ricercatori del MIT e del National Renewable Energy Laboratory (NREL) hanno delineato un percorso per ridurre ulteriormente i costi, questa volta dimagrendo le stesse celle di silicio.

Celle di silicio più sottili sono state esplorate in precedenza, soprattutto circa una dozzina di anni fa, quando il costo del silicio raggiunse il picco a causa della carenza di approvvigionamento. Ma questo approccio soffriva di alcune difficoltà:i sottili wafer di silicio erano troppo fragili e fragili, portando a livelli inaccettabili di perdite durante il processo di fabbricazione, e avevano un'efficienza inferiore. I ricercatori affermano che ora ci sono modi per iniziare ad affrontare queste sfide attraverso l'uso di attrezzature di gestione migliori e alcuni recenti sviluppi nell'architettura delle celle solari.

Le nuove scoperte sono dettagliate in un articolo sulla rivista Scienze energetiche e ambientali , co-autore del postdoc del MIT Zhe Liu, professore di ingegneria meccanica Tonio Buonassisi, e altri cinque al MIT e al NREL.

I ricercatori descrivono il loro approccio come "tecnoeconomico, " sottolineando che a questo punto le considerazioni economiche sono cruciali quanto quelle tecnologiche per ottenere ulteriori miglioramenti nell'accessibilità dei pannelli solari.

Attualmente, Il 90% dei pannelli solari del mondo sono realizzati in silicio cristallino, e l'industria continua a crescere a un tasso di circa il 30% all'anno, dicono i ricercatori. Le odierne celle fotovoltaiche al silicio, il cuore di questi pannelli solari, sono costituiti da wafer di silicio dello spessore di 160 micrometri, ma con metodi di gestione migliorati, i ricercatori propongono che questo potrebbe essere ridotto a 100 micrometri e alla fine fino a 40 micrometri o meno, che richiederebbe solo un quarto di silicio per una data dimensione di pannello.

Ciò potrebbe non solo ridurre il costo dei singoli pannelli, dicono, ma, cosa ancora più importante, potrebbe consentire una rapida espansione della capacità di produzione di pannelli solari. Questo perché l'espansione può essere limitata dai limiti alla velocità con cui possono essere costruiti nuovi impianti per produrre i lingotti di cristallo di silicio che vengono poi tagliati a fette come il salame per fare i wafer. Queste piante, che sono generalmente separati dagli stessi impianti di produzione di celle solari, tendono ad essere ad alta intensità di capitale e richiedono tempo per la costruzione, che potrebbe portare a un collo di bottiglia nel tasso di espansione della produzione di pannelli solari. Ridurre lo spessore del wafer potrebbe potenzialmente alleviare questo problema, dicono i ricercatori.

Lo studio ha esaminato i livelli di efficienza di quattro varianti dell'architettura delle celle solari, comprese le celle PERC (emettitore passivato e contatto posteriore) e altre tecnologie avanzate ad alta efficienza, confrontando le loro uscite a diversi livelli di spessore. Il team ha scoperto che in effetti c'era un piccolo calo delle prestazioni fino a spessori fino a 40 micrometri, utilizzando i processi di produzione migliorati di oggi.

"Vediamo che c'è quest'area (dei grafici dell'efficienza rispetto allo spessore) in cui l'efficienza è piatta, "Liu dice, "e quindi questa è la regione in cui potresti potenzialmente risparmiare un po' di soldi." A causa di questi progressi nell'architettura cellulare, lui dice, "abbiamo davvero iniziato a vedere che era giunto il momento di rivedere i vantaggi in termini di costi".

Cambiare gli enormi impianti di produzione di pannelli per adattarli ai wafer più sottili sarà un processo lungo e costoso, ma l'analisi mostra che i benefici possono superare di gran lunga i costi, Liu dice. Ci vorrà del tempo per sviluppare le attrezzature e le procedure necessarie per consentire il materiale più sottile, ma con la tecnologia esistente, lui dice, "dovrebbe essere relativamente semplice scendere a 100 micrometri, " che fornirebbe già alcuni risparmi significativi. Ulteriori miglioramenti nella tecnologia come un migliore rilevamento delle microfratture prima che crescano potrebbero aiutare a ridurre ulteriormente gli spessori.

Nel futuro, lo spessore potrebbe essere ridotto fino a 15 micrometri, lui dice. Le nuove tecnologie che coltivano direttamente sottili wafer di cristallo di silicio invece di tagliarli a fette da un cilindro più grande potrebbero aiutare a consentire tale ulteriore assottigliamento, lui dice.

Lo sviluppo del silicio sottile ha ricevuto poca attenzione negli ultimi anni perché il prezzo del silicio è diminuito rispetto al suo picco precedente. Ma, a causa delle riduzioni dei costi che hanno già avuto luogo nell'efficienza delle celle solari e in altre parti del processo di produzione dei pannelli solari e della catena di fornitura, il costo del silicio è ancora una volta un fattore che può fare la differenza, lui dice.

"L'efficienza può aumentare solo di qualche punto percentuale. Quindi, se vuoi ottenere ulteriori miglioramenti, lo spessore è la strada da percorrere, " dice Buonassisi. Ma la conversione richiederà grandi investimenti di capitale per una distribuzione su vasta scala.

Lo scopo di questo studio, lui dice, è fornire una tabella di marcia per coloro che potrebbero pianificare l'espansione nelle tecnologie di produzione solare. Rendendo il percorso "concreto e tangibile, " lui dice, può aiutare le aziende a incorporare questo nella loro pianificazione. "C'è un sentiero, " dice. "Non è facile, ma c'è un percorso E per i primi a muoversi, il vantaggio è notevole".

Cosa può essere richiesto, lui dice, è che i diversi attori chiave del settore si riuniscano e stabiliscano una serie specifica di passi avanti e standard concordati, come ha fatto l'industria dei circuiti integrati all'inizio per consentire la crescita esplosiva di quell'industria. "Sarebbe davvero trasformativo, " lui dice.

Andrea Augusto, uno scienziato ricercatore associato presso l'Arizona State University che non era collegato a questa ricerca, afferma che "la raffinazione della produzione di silicio e wafer è la parte più impegnativa in termini di spese in conto capitale (capex) del processo di produzione di pannelli solari. Quindi, in uno scenario di rapida espansione, la fornitura di wafer può diventare un problema. Andare sottile risolve in parte questo problema in quanto è possibile produrre più wafer per macchina senza aumentare significativamente il capex." Aggiunge che "wafer più sottili possono offrire vantaggi in termini di prestazioni in determinati climi, "recitando meglio in condizioni più calde.

Analista di energie rinnovabili Gregory Wilson di Gregory Wilson Consulting, che non era associato a questo lavoro, afferma "L'impatto della riduzione della quantità di silicio utilizzato nelle celle tradizionali sarebbe molto significativo, come sottolinea il documento. Il guadagno più evidente è nella quantità totale di capitale necessaria per portare l'industria del fotovoltaico alla scala multi-terawatt richiesta dal problema del cambiamento climatico. Un altro vantaggio è la quantità di energia necessaria per produrre pannelli fotovoltaici in silicio. Questo perché i processi di produzione di polisilicio e di crescita dei lingotti necessari per la produzione di celle ad alta efficienza richiedono un'elevata intensità energetica".

Wilson aggiunge:"I principali produttori di celle e moduli fotovoltaici hanno bisogno di sentire da gruppi credibili come il Prof. Buonassisi al MIT, poiché faranno questo cambiamento quando potranno vedere chiaramente i benefici economici".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.