L'aumento del prezzo e la scarsa disponibilità delle materie prime, in particolare dell'argento, stanno portando a costi più elevati nella produzione di moduli fotovoltaici. I ricercatori di Fraunhofer hanno sviluppato un processo di galvanica che prevede la sostituzione dell'argento, un metallo prezioso costoso, con il rame, che è più facilmente disponibile. Sono anche riusciti a sostituire i polimeri che di solito rimangono dopo i processi di galvanica e sono costosi da smaltire, utilizzando invece alluminio facilmente riciclabile per la mascheratura. Per portare la tecnologia sul mercato più rapidamente, è stato lanciato lo spin-off PV2+.

Quando si tratta di generare elettricità da energie rinnovabili, il fotovoltaico è un pilastro. Le moderne celle solari a eterogiunzione hanno una CO₂ particolarmente bassa ingombri a causa delle basse quantità di silicio utilizzato per produrli, e quando si parla di produzione industriale, raggiungono i massimi livelli di efficienza. Di conseguenza, è molto probabile che questa tecnologia diventi lo standard di produzione. Ci sono cifre che mostrano la crescente importanza del fotovoltaico. Secondo l'Agenzia internazionale per le energie rinnovabili (IRENA), nel 2012 sono stati prodotti più di 96 TWh di energia da impianti fotovoltaici in tutto il mondo, che sono saliti a quasi 831 TWh entro il 2020. Secondo l'Agenzia tedesca per l'ambiente, la quantità di elettricità generata dal fotovoltaico in La Germania è passata da quasi 27 TWh a quasi 50 TWh nello stesso periodo.

Questo non è affatto il limite di ciò che il fotovoltaico può offrire. Tuttavia, nella produzione di celle solari, per le sbarre e i contatti viene utilizzato argento prezioso, che conducono l'elettricità generata nello strato di silicio per mezzo della radiazione solare. Il costo di questo metallo prezioso è in aumento:ancora oggi l'argento rappresenta circa il 10% del prezzo di produzione di un modulo fotovoltaico. Inoltre, sulla Terra sono disponibili solo quantità limitate di metallo. L'industria solare elabora il 15% dell'argento estratto, ma a causa dell'alto tasso di crescita del settore, questa percentuale è destinata a crescere notevolmente. Ciò non sarà fattibile, tuttavia, poiché anche altri settori come l'elettromobilità e la tecnologia 5G segnalano un previsto aumento futuro del loro uso di argento. Ecco perché l'industria solare richiede innovazioni tecnologiche rivoluzionarie per realizzare il suo pieno potenziale.

Rame per contatti a celle solari

I ricercatori del Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE hanno accettato questa sfida. Con circa 1.400 dipendenti, questo istituto con sede a Friburgo è il più grande istituto di ricerca solare in Europa. Un team di ricercatori guidato dal Dr. Markus Glatthaar, esperto di metallizzazione e strutturazione, ha sviluppato un processo di elettroplaccatura per la promettente tecnologia dell'eterogiunzione per sostituire l'argento con il rame. Il rame è molte volte più economico e più facilmente disponibile dell'argento.

Per garantire che la superficie elettricamente conduttiva della cella solare non sia completamente galvanizzata con rame, le aree della superficie che non devono essere rivestite devono essere prima mascherate. Queste aree sono ricoperte da un rivestimento che ha un effetto elettricamente isolante, prevenendo così la loro galvanica. Lo strato di rame si accumula solo nelle aree non rivestite con l'isolamento.

I ricercatori hanno fatto un altro progresso significativo qui:fino ad ora, in questo settore sono state utilizzate costose lacche a base di polimeri o lamine laminate per mascherare il wafer di silicio nel bagno elettrolitico. Il corretto smaltimento dei polimeri è un processo costoso che genera molti rifiuti. Il Dr. Glatthaar e il suo team sono stati in grado di sostituire i polimeri con l'alluminio. Proprio come il rame, l'alluminio è completamente riciclabile. Cambiare i materiali due volte, dall'argento al rame e dal polimero all'alluminio, porta anche il doppio del vantaggio:la produzione di celle solari non è solo più sostenibile, ma anche notevolmente più economica.

Una svolta scientifica:galvanica innovativa ed elettroliti migliorati

Ma come sono riusciti i ricercatori a sostituire l'argento, un metallo prezioso costoso? "Abbiamo sviluppato uno speciale processo di galvanica che consente di utilizzare il rame invece dell'argento per le sbarre", spiega il dott. Glatthaar. Ciò migliora anche la conduttività:le linee di contatto in rame sono particolarmente strette a causa della loro strutturazione laser. A causa della larghezza estremamente ridotta della linea di rame di soli 19 μm (micrometri), lo strato di silicio che assorbe la luce subisce meno ombreggiature rispetto alle linee d'argento. Questo e l'elevata conducibilità del rame elettrodeposto migliorano la resa elettrica.

Il team Fraunhofer ha anche ottenuto un secondo risultato tecnologico utilizzando l'alluminio come strato di mascheratura. La difficoltà qui è la natura elettricamente conduttiva dell'alluminio, che lo rende a prima vista inadatto all'uso come maschera. I ricercatori del Fraunhofer hanno sfruttato il fatto che l'alluminio può formare uno strato di ossido isolante sulla sua superficie. Tuttavia, questo strato ha uno spessore di pochi nanometri. "Siamo stati in grado di adattare i parametri di processo e sviluppare un tipo speciale di elettrolita che assicura che lo strato di ossido nativo estremamente sottile dell'alluminio possa svolgere in modo affidabile la sua funzione isolante. Questa è stata una pietra miliare importante per il successo del nostro progetto di ricerca", ha affermato il dott. Glatthaar è lieta di riferire.

In quanto materiali riciclabili, sia il rame che l'alluminio possono avvicinare la produzione fotovoltaica all'economia circolare, migliorando gli standard ambientali e sociali nel processo. "Dato che abbiamo forniture sufficienti di rame in Germania, le catene di approvvigionamento sono molto più brevi e il prezzo dipende meno dai mercati internazionali delle materie prime o dai fornitori esteri", aggiunge il dott. Glatthaar.

Lo spin-off PV2+ porta la tecnologia solare sul mercato

Per portare più rapidamente la promettente tecnologia sul mercato, Fraunhofer ISE ha lanciato lo spin-off PV2+. Le lettere "P" e "V" stanno per fotovoltaico, con "2+" che indica la doppia carica positiva degli ioni rame nel bagno di galvanica. L'azienda ha anche sede a Friburgo, con il ricercatore Fraunhofer Dr. Glatthaar in qualità di CEO. Punta a creare un impianto di produzione pilota insieme a partner industriali già all'inizio del 2023.

Come spiega il Prof. Andreas Bett, direttore dell'istituto di Fraunhofer ISE, "Questi innovativi celle solari sono un importante trampolino di lancio verso un futuro approvvigionamento energetico basato sulle energie rinnovabili. Daranno all'industria del fotovoltaico la spinta tanto necessaria. Il lo spin-off ha un enorme potenziale per affermarsi rapidamente e con successo sul mercato. E, naturalmente, siamo particolarmente lieti che queste tecnologie siano state sviluppate nel nostro istituto". + Esplora ulteriormente

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