1. Premessa
Il settore dell’energia fotovoltaica, fino a oggi, è stato dominato dal silicio. Le ragione di questo dominio sono:
- la sua abbondanza sulla crosta terrestre (1),
- la sua non tossicità, fattore che lo rende facilmente maneggiabile,
- l’ampio uso di questo materiale nell’industria elettronica.
Un wafer (2) di silicio mono o policristallino, utilizzato per l’industria fotovoltaica, è per il 90% prodotto dagli scarti dell’industria elettronica. La forte dipendenza dall’industria elettronica e il recente notevole incremento nella produzione dei moduli fotovoltaici, dovuto all’introduzione del meccanismo incentivante del conto energia, ha determinato, da qualche anno, una difficoltà nell’approvvigionamento di silicio.
La catena che dal silicio arriva alla produzione di energia elettrica è costituita dai seguenti anelli:
- Produttori dei lingotti di silicio e dei relativi wafer
- Produttori delle celle
- Produttori dei moduli (o pannelli)
- Progettisti installatori
- Produttori di energia elettrica fotovoltaica.
Questa catena è dotata di sufficiente capacità produttiva ad eccezione del primo anello che, oggi, condiziona, in parte, lo sviluppo dell’energia fotovoltaica, a causa dei costi molto elevati del kWh.
Nuovi produttori di lingotti di Si stanno, peraltro, entrando nel mercato, pertanto, nel 2010 aumenterà la produzione dei wafer di silicio e tutto il mercato ne risentirà positivamente.
2. La tecnologia dei moduli FV a film sottile
In sostituzione della cella costituita da un wafer di silicio drogato, da poco, è entrata nel mercato la tecnologia del film sottile. Alcune informazioni sono state ottenute dopo aver firmato un NDA, pertanto non se ne possono divulgare le fonti.
Attualmente diversi material sono in competizione per i film sottili:
- a-Si (silicio amorfo) o a-SiGe. Giova notare che il silicio amorfo assorbe la luce molto più efficacemente del silicio cristallino, per questo motivo lo spessore della cella in a-Si può essere cento volte minore dello spessore della cella in Si cristallino;
- a-Si/µ-Si (giunzione ibrida silicio amorfo/ silicio microcristallino). I due materiali, entrambi semiconduttori, hanno caratteristiche complementari rispetto all’assorbimento della radiazione solare, pertanto, la loro efficienza di conversione (da radiazione a energia elettrica) è maggiore di quella del a-Si;
- CIS (rame, indio, diseleniuro)/CdS;
- CdTe (tellururo di cadmio)/CdS.
Potenzialmente la tecnologia del film sottile si presenta con svariati importanti vantaggi.
- Lo strato assorbente può essere prodotto in spessori molto ridotti tipicamente 2-3µm, contro i 200-300µm del wafer di silicio. Questo consente notevoli risparmi sul costo della materia prima ed elimina i problemi della reperibilità.
- La tecnologia consente di ridurre le fasi della lavorazione, con la realizzazione, in un unico processo, di tutte le celle del pannello e della relativa connessione, eliminando la costosa fase del montaggio delle celle e della loro connessione elettrica tipica della tecnologia Si-wafer-based.
- Il grado di automazione del processo di produzione dei moduli è maggiore rispetto alla tecnologia Si-wafer-based.
- Gli strati che costituiscono le celle possono essere depositati su materiali poveri, come vetro comune, ma anche fogli di plastica o di metallo.
- Con una produzione di pannelli non inferiore a 50 MW/anno il costo del Wp può essere molto contenuto, pertanto, l’energy pay back time degli impianti fotovoltaici può essere sensibilmente inferiore a quello per impianti Si-wafer-based.
- Si possono produrre moduli rigidi o flessibili.
Gli svantaggi più significativi sono rappresentati:
- Dall’entità degli investimenti necessari per la produzione. A parità di MW installati, un impianto a film sottile richiede investimenti circa dieci volte maggiori di un impianto per moduli Si-wafer-based. D'altra parte gli operatori sostengono che la soglia minima per ottenere EBIT soddisfacenti dalla produzione dei moduli a film sottile debba essere di almeno 50 MW.
- Dal momento dell'ordine di acquisto degli impianti, al momento dell'avvio della produzione a regime occorrono dai due ai tre anni. Tempi circa tre volte più lunghi di quelli necessari per una fabbrica di pannelli Si-wafer-based.
- Dai più bassi valori dell'efficienza di conversione che obbligano, a parità di potenza installata, ad avere superfici di captazione dell'energia solare maggiori, e quindi, a parità di potenza di picco, un impianto a film sottile occupa maggiore spazio.
Di converso, la giapponese Kaneka, in test di laboratorio, ha dimostrato che nell’arco di 12 mesi la produzione di energia in kWh per impianti da 1kWp, nelle stesse condizioni di irraggiamento/ombreggiamento è:
Kaneka a-Si - 1.203
Kaneka c-Si - 1.113
Kaneka poly-Si - 1.059.
Il miglior comportamento del silicio amorfo è dovuto al suo buon rendimento anche alle alte temperature, tipiche, delle stagione estiva, e nelle condizioni di ombreggiamento; inoltre, la cella in a-Si è in grado di captare e convertire anche luce diffusa e con elevati angoli di incidenza. Questi vantaggi, in parte, compensano i più bassi valori dell'efficienza di conversione.
In Fig. 1 è mostrata la tipica struttura a strati di una cella a film sottile, indipendentemente dal materiale usato. Lo spessore totale degli strati può variare tra 3 e 5 µm; lo spessore del vetro può essere di 3-4mm., ma, come già detto, al posto del vetro si possono usare fogli di plastica o di metallo che consentono addirittura di ottenere pannelli arrotolabili.
Figura 1
Contatto trasparente frontale (3) |
Buffer trasparente per realizzare la giunzione |
Materiale assorbente (a-Si, CdTe, CIS, ecc) |
Conduttore posteriore (Ag, Mo, …) |
Vetro |
Come già detto, le tecnologie a film sottile, già mature per la produzione industriale sono:
- Silicio amorfo, a-Si, a una o più giunzioni
- Giunzioni ibride silicio amorfo/silicio policristallino, a-Si/µ-Si
- Rame-indio-diseleniuro (CIS)
- Tellururo di cadmio, CdTe.
Esistono, pertanto, diversi materiali semiconduttori e numerosi processi per la deposizione di questi materiali sotto forma di film sottile, tuttavia, la struttura del film non dipende dalla tecnologia usata per produrlo.
Il processo di produzione prevede la deposizione, su un substrato (vetro, metallo, plastica), in successione dei seguenti strati:
- contatto metallico posteriore,
- materiale assorbente (semiconduttore),
- buffer,
- contatto anteriore trasparente alla radiazione (TCO),
- in funzione del substrato può essere necessario depositare un buffer prima del contatto metallico posteriore per migliorarne l'adesione.
Le deposizioni dei vari strati si alternano con una serie di asportazioni, mediante laser, di sottilissime strisce che consentono di realizzate le singole celle e di realizzare la connessione in serie tra le celle e, quindi, tra il polo positivo di una cella (contatto metallico posteriore) con il polo negativo (contatto trasparente frontale) della cella successiva. Questo processo, chiamato integrazione monolitica delle celle consente un elevato grado di automazione nella produzione dei pannelli.
Si procede, infine, all’incapsulamento del modulo tramite laminazione.
Il produttore che, oggi, ha i maggiori piani di produzione, a scala industriale, è la statunitense First Solar di Phoenix che ha ordini di moduli a film sottile in CdTe per 45MW/anno, con prezzi di vendita di circa 1,15 €/Wp. E' importante sapere che, oggi, con le difficoltà nell'approvvigionamento del silicio, in Europa, un buon pannello in silicio cristallino costa attorno a 3,2 €/Wp; nel 2010 il prezzo potrebbe scendere a 2,7 €/Wp.
La First Solar ha annunciato, nel luglio 2007, che realizzerà in Germania, a Francoforte, un impianto per la produzione di pannelli a film sottile in CdTe della capacità annua di 120 MW.
Giova notare che il CdTe ha proprietà molto interessanti per il suo utilizzo in campo fotovoltaico. I vantaggi sono.
- È un semiconduttore a bandgap diretta (4) che consente di convertire l’energia solare in elettricità più efficacemente dei tradizionali semiconduttori a bandgap indiretta (5). L’energia della larghezza di banda del CdTe è pari a 1,45 eV contro 1,20 eV dei materiali usati più frequentemente.
- Mantiene un buon rendimento all’aumentare della temperatura di funzionamento.
- Non esistono problemi di reperimento dei componenti.
- First Solar si impegna a ritirare e riprocessare i moduli al termine della loro vita.
- Presso l'Università degli Studi di Parma esiste una consolidata esperienza sui film in CdTe ed è stato messo a punto un processo innovativo per la produzione dei relativi moduli.
Si noti che una delle domande che i tecnici si pongono riguarda quale potrà essere il materiale che, sul medio-lungo termine, si imporrà nella tecnologia del film sottile.
Nei laboratori di ricerca da anni vengono sperimentati i materiali che sono stati citati precedentemente e un dato interessante riguarda i valori delle efficienze di conversione di celle da 1cmq di superficie.
Materiale* |
Efficienza di conversione |
a-Si (a tripla giunzione)** |
12,7 % |
a-Si/µ-Si |
13 % |
CdTe |
16 % |
CIS |
18,8 % |
* Per necessità di confronto sono stati presi dati di letteratura omogenei, pertanto mancano alcuni casi abbastanza frequenti.
** La migliore soluzione trovata in laboratorio con l’a-Si.
Questi valori, che vanno comunque presi con prudenza, essendo dati di laboratorio, mostrano che CdTe e CIS realizzano le maggiori efficienze di conversione, avvicinandosi ai valori del silicio cristallino, d’altra parte a-Si (anche con singola giunzione) e a-Si/µ-Si riscuotono molto interesse per svariati vantaggi, come, abbondanza della materia prima, natura non tossica del Si, minori consumi di energia nel processo di produzione rispetto agli altri due materiali; essi sono ottimi candidati per pannelli destinati a campi fotovoltaici di grandi potenze e dove non sussistono problemi di spazio. I dati indicati in tabella sono piuttosto conservativi; infatti, alcuni laboratori di ricerca riportano valori delle efficienze di conversione anche più elevati; secondo i ricercatori vanno anche approfonditi gli studi teorici sul comportamento all'irraggiamento di questi o di altri materiali.
E' necessario osservare che il passaggio dalla cella di 1 cmq, i cui dati sono riportati nella tabella, alla produzione industriale di pannelli da più di 1 mq di superficie comporta enormi problemi a livello di produzione e sensibili cali delle efficienze di conversione. Occorre appurare, inoltre, qual è il calo di rendimento dei pannelli a film sottile con l'invecchiamento. I produttori di moduli a film sottile sostengono che il decadimento è del 10% nei primi dieci anni e del 20% nei venti anni; altri parlano di offrire moduli già stabilizzati.
Il CIS è stato studiato a fondo presso lo ZSW, il centro di ricerche solari del Baden-Würtemberg.
CIS (rame-indio-diseleniuro) è un semiconduttore policristallino, spesso arricchito con gallio (CIGS), elemento che consente di aumentare l’efficienza di conversione.
Il modulo in CIS è realizzato, presso lo ZSW, usando come substrato vetro da 2-3mm di spessore; sul vetro viene depositato il molibdeno con uno spessore di circa 0,5 µm, come contatto posteriore. Quindi lo strato assorbente CIS o CIGS ad uno spessore di 2-3 µm. Il processo di deposizione è la coevaporazione dei vari elementi sotto vuoto. La giunzione è realizzata depositando un buffer di CdS (materiale quasi completamente trasparente alla radiazione visibile e all’infrarosso) di 0,05 – 0,07 µm di spessore. Infine, avviene la deposizione del ZnO, trasparente e buon conduttore e quindi con la funzione di contatto frontale, ad uno spessore di circa 2 µm. Come già detto le deposizioni sono alternate da tracciatura laser che consente di separare le celle e di realizzare i contati elettrici.
E’ importante notare che le maggiori imprese produttrici di moduli FV in Si cristallino si stanno orientando, anche, verso la produzione di moduli a film sottile.
- Sharp a-Si/µ-Si
- Ersol a-Si/µ-Si
- Shott Solar a-S
- EPV-Solar a-Si
- CGS-Solar a-Si
- UNI Solar (United Solar Ovonics) a-Si a tripla giunzione
- Kaneka a-Si
- Mitsubishi a-Si
- Showa Shell Sekiyu CIS
- Solarex a-Si
- Wurth Solar CIS
- Antec Solar CdTe
- Altri.
La maggior parte dei produttori afferma di utilizzare impianti del tipo Plasma assisted Chemical Vapor Deposition.
Dopo questa veloce analisi della tecnologia a film sottile corre l’obbligo di riportare le considerazioni emerse durante il recente Congresso sul fotovoltaico tenuto a Milano, nel settembre 2007, e l’opinione di importanti operatori del settore.
Nel 2010 si ritiene che la tecnologia a film sottile potrà coprire il 20-25% del mercato dei pannelli fotovoltaici e i prezzi di vendita potrebbero essere circa un terzo dei prezzi attuali dei pannelli di silicio cristallino o policristallino.
Considerando gli incentivi del conto energia, oggi, il pay-back-time, per un impianto fotovoltaico Si-wafer-based è di 8-9 anni e spesso questo dato scoraggia i potenziali investitori. Se la tecnologia riuscirà ad abbattere considerevolmente il prezzo dei moduli, come avviene già oggi con i pannelli della First Solar, allora si avrà sicuramente una seconda esplosione nella produzione di energia elettrica da fotovoltaico.
Nel rapporto A strategic research agenda for photovoltaic solar energy technology presentato dal "Gruppo di lavoro 3 - Science, technology and applications" della Commissione dell'UE, in occasione della Conferenza di Milano, vengono indicate le seguenti previsioni per il 2013:
- silicio- disponibilità, a livello industriale, di pannelli rigidi a film sottile con efficienze di conversione superiori al 10% e prezzi inferiori a 1€/Wp,
- silicio - disponibilità, a livello industriale, di pannelli flessibili a film sottile con efficienze di conversione superiori al 9% e prezzi inferiori a 0,75 €/Wp,
- questi target sarebbero assicurati da impianti di produzione da 100 MWp/anno per i rigidi e 50 MWp/anno per i flessibili,
- CIGS - disponibilità, a livello industriale, di pannelli rigidi a film sottile con efficienze di conversione attorno al 14% e prezzi inferiori a 1, 2 €/Wp,
- CdTe - disponibilità, a livello industriale, di pannelli rigidi a film sottile con efficienze di conversione superiori al 12% e prezzi inferiori a 1€/Wp,
- La R&S sui moduli CIGS (o altri materiali in sostituzione dei costosi indio e gallio), potrebbe portare a prezzi al Wp inferiori e a efficienze di conversione maggiori.
A nostro parere la tempistica prevista dal Gruppo di lavoro della Commissione UE è molto conservativa, comunque giova dire che la tecnologia del film sottile con i suoi prezzi al Wp sensibilmente inferiori ai prezzi dei moduli Si-wafer-based, consentirà tempi di pay-back dell’investimento in impianti fotovoltaici “molto ragionevoli” e aprirà la strada agli investimenti delle imprese industriali che potrebbero utilizzare, ad esempio, i tetti dei capannoni industriali, dove non si pongono problemi di spazio, per realizzarvi gli impianti.
E' interessante notare, inoltre, che, nei paesi nei quali si sono registrate le maggiori realizzazioni di impianti FV, investitori istituzionali come banche e gestori di fondi si stanno interessando attivamente agli investimenti in impianti fotovoltaici di grandi potenze.
Nella catena del valore del film sottile l'elemento critico è rappresentato dall'investimento negli impianti di produzione e nei tempi necessari per portare gli impianti a regime; per questo motivo, anche in questo ambito, stanno intervenendo investitori istituzionali in supporto delle iniziative industriali delle imprese del settore.
La nuova tecnologia apre alle imprese due interessanti opportunità di business:
- Avviare una produzione di pannelli a film sottile, in un momento nel quale vi sono pochi competitor; l'impresa dovrebbe avere un know-how di base nel settore del film sottile e del laser scribing.
- Realizzare un impianto fotovoltaico a film sottile di grande potenza (ad esempio da 1 MW) cogliendo i vantaggi offerti dal silicio mono/policristallino, in termini di agevolazioni, ma con costi al Wp installato molto inferiori.
3. Il parere degli esperti dell’Enea
Il 27 ottobre 2007 L’ENEA ha pubblicato un rapporto nel quale si parla dello stato dell’arte del fotovoltaico. A proposito della tecnologia a film sottile l’ENEA scrive.
“La quota di mercato delle tecnologie a film sottile è ancora molto contenuta (~ 7%), ma
tutti gli scenari, delineati da fonti autorevoli, sono concordi nel considerarle come la
soluzione con le maggiori potenzialità nel medio-lungo termine per una sostanziale
riduzione dei prezzi (fino a valori inferiori a 1 €/Wp). L’idea alla base dei moduli in film
sottile è di impiegare materiali a basso costo (vetro, metallo, plastica) insieme a quantità
minime di un semiconduttore ad alto costo ma con una superiore capacità di
assorbimento della luce solare rispetto al silicio cristallino, come il Silicio amorfo e
microcristallino (a-Si e μc-Si, con 6-9% di efficienza commerciale), il Diseleniuro di Rame
e Indio (CIS, CIGS nel caso di aggiunta di Gallio, 10-12%), o il Tellururo di Cadmio
(CdTe, 9%). Depositando i film direttamente su larga area, fino a oltre 5 mq, si evitano
gli enormi sfridi di lavorazione tipici dell’operazione di taglio dei wafer di silicio cristallino
dal lingotto di partenza. Le tecniche di deposizione sono a basso consumo di energia e
quindi è breve il relativo payback time, ossia quanto tempo deve operare un impianto
fotovoltaico per produrre l’energia impiegata per fabbricarlo, circa 1 anno per i film sottili
di silicio amorfo contro i 2 della tecnologia del silicio cristallino, secondo le valutazioni più
aggiornate. È possibile anche realizzare giunzioni multiple sovrapponendo in serie più
strati di materiali semiconduttori diversi, con risposta ottimale per intervalli diversi di
lunghezze d’onda dello spettro della luce solare, allo scopo di sfruttarlo al meglio. I
moduli a film sottili dimostrano anche una migliore resa energetica rispetto ai moduli in
c-Si di pari potenza nominale, grazie ad una minore dipendenza dell’efficienza dalla
temperatura di funzionamento, che nei mesi estivi può raggiungere anche i 70 °C, e alla
buona risposta anche quando la componente di luce diffusa è più marcata e quando sono
bassi i livelli di irradianza (rispetto al riferimento standard di 1000 W/m2), ossia nelle
giornate nuvolose. Agli indubbi vantaggi delle tecnologie a film sottile non è corrisposto
fino a oggi l’aspettato successo industriale per il persistere di alcuni fattori negativi: il
confronto tra moduli a film sottili e al silicio cristallino sfavorevole per i primi perché di
solito, acriticamente, non basato sulle rese energetiche ma sulle efficienze standard;
problemi tecnologici e di disponibilità di alcuni materiali (l’In, in particolare,
massicciamente impiegato per la realizzazione di LCD, è passato da 70 $/kg nel 2002 a
1100 $/kg nel 2005); difficoltà nel passaggio dalle linee pilota a quelle industriali per
l’alto costo dell’investimento richiesto (è necessario approntare la linea di fabbricazione
completa, mentre nel caso del silicio cristallino si possono acquistare i wafer da aziende
specializzate). Nell’ultimo periodo, però, è stata riscontrata una netta inversione di
tendenza con l’entrata in funzione di nuovi impianti e l’annuncio di nuovi investimenti, sia
in Europa che nel resto del mondo, per realizzare stabilimenti di produzione di moduli a
film sottili con tutte le diverse tecnologie disponibili (silicio, CIGS e CdTe), ma con una
forte prevalenza di quella, più consolidata, del silicio amorfo.”
Gaetano Polimeni
NOTE
(1) Dopo l’ossigeno il Si è l’elemento più abbondante sulla crosta terrestre dove, tuttavia, non si trova libero ma sempre sotto forma di composti ossigenati (silice e silicati)
(2) Fetta sottile
(3) Noto come TCO, trasparent conductive oxide
(4) La bandgap o energy gap è la differenza in eV tra il minimo della banda di conduzione e il massimo della banda di valenza. La bandgap è diretta quando il minimo della banda di conduzione si trova sopra il massimo della banda di valenza.
(5) Si ha quando il minimo della banda di conduzione è spostato rispetto al massimo della banda di valenza, pertanto gli elettroni della banda di conduzione hanno bisogno di una sorgente di “momento” per cadere nella banda di valenza.
