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Celle solari efficienti ed economiche
Un nuovo modo economico per collegare gli specchi al silicio produce celle solari molto efficienti che non costano molto da produrre. La tecnica potrebbe portare a pannelli solari che producono elettricità al prezzo medio dell'elettricità negli Stati Uniti.
Ulteriore riflessione: Questa nuova cella solare è estremamente efficiente ma può essere realizzata a basso costo, grazie a una nuova tecnica di fissaggio degli specchi al silicio.
Suniva , una startup con sede ad Atlanta, ha realizzato celle solari che convertono in elettricità circa il 20% dell'energia della luce solare che cade su di esse. Questo è in aumento dal 17% per le sue precedenti celle solari e vicino all'efficienza delle migliori celle solari sul mercato. Ma a differenza di altre celle solari al silicio ad alta efficienza, afferma Ajeet Rohatgi , fondatore dell'azienda e chief technology officer, quelli di Suniva sono realizzati con metodi a basso costo. Uno di questi metodi è la serigrafia, un processo relativamente economico molto simile al processo serigrafico utilizzato per stampare le magliette.
Finora, l'alto costo delle celle solari le ha limitate a un ruolo marginale nella produzione di energia, rappresentando meno dell'1% dell'elettricità mondiale. Rohatgi calcola che le tecniche di produzione a basso costo dell'azienda renderanno l'energia solare competitiva con le fonti convenzionali, producendo elettricità per circa 8-10 centesimi per chilowattora, il costo medio dell'elettricità negli Stati Uniti e molto inferiore ai prezzi in molti mercati.
Le celle di Suniva sono efficienti in gran parte perché possono intrappolare la luce, mantenendo i fotoni all'interno del materiale attivo della cella solare fino a quando la loro energia non può essere utilizzata per liberare elettroni e generare una corrente elettrica. Il concetto di base di intrappolare la luce non è nuovo. Si basa sulla testurizzazione della superficie anteriore dello strato di silicio che forma il materiale attivo della cella solare. La testurizzazione crea sfaccettature che reindirizzano la luce in ingresso, rifrangendola in modo che, invece di passare direttamente attraverso il silicio, viaggi lungo la lunghezza dello strato di silicio. I fotoni rimangono quindi nel materiale più a lungo e hanno maggiori possibilità di essere assorbiti dagli atomi nel materiale. Quando ciò accade, l'energia nei fotoni può liberare gli elettroni utilizzati per generare corrente.
L'intrappolamento della luce può essere migliorato accoppiando la superficie strutturata con uno strato riflettente sul retro dello strato di silicio. Lo specchio mantiene la luce nella cella solare ancora più a lungo, aumentando ulteriormente il numero di elettroni liberati. Di conseguenza, il silicio può essere la metà del suo normale spessore assorbendo la stessa quantità di luce. L'utilizzo di un materiale meno costoso riduce direttamente i costi. Ma consente anche ai produttori di celle solari di accontentarsi di forme di silicio più economiche e meno pure. In una cella solare convenzionale, che può avere uno strato di silicio spesso 200 micrometri, le impurità all'interno del materiale possono facilmente intrappolare gli elettroni prima che raggiungano la superficie e fuoriescano per generare una corrente. In uno strato di silicio spesso appena 100 micrometri, tuttavia, gli elettroni hanno una distanza più breve da percorrere, quindi è meno probabile che incontrino un'impurità prima di fuggire. Il silicio di qualità inferiore è molto più economico e più facile da produrre rispetto al silicio altamente raffinato normalmente utilizzato nelle celle solari.
Alcune aziende hanno già introdotto prodotti che abbinano una parte anteriore testurizzata a una parte posteriore specchiata e la tecnica ha dimostrato di funzionare bene nei laboratori per anni. Ma l'aggiunta dello strato riflettente richiede in genere un'elaborazione costosa e una litografia. Rohatgi ha sviluppato materiali proprietari che possono essere incorporati nelle celle solari tramite serigrafia. Questo, insieme ad altri progressi che semplificano il processo di produzione, ha permesso all'azienda di produrre celle altamente efficienti a basso costo.
Tonio Buonassisi , professore di ingegneria meccanica al MIT, afferma che la nuova cella solare di Suniva è entusiasmante perché è una dimostrazione che alcune delle tecnologie ad alta efficienza su cui si lavora da anni in laboratorio possono essere applicabili sul mercato. Dice che la decisione di Suniva di utilizzare tali tecnologie è un rischio che la maggior parte delle altre aziende di celle solari ha evitato. Ora che Suniva ha sviluppato un modo per applicare queste tecniche a basso costo, prevede che altre aziende di celle solari potrebbero essere costrette a fare altrettanto per competere.
Certo, resta ancora molto da fare prima di poter raggiungere l'obiettivo di 8-10 centesimi per kilowatt. Suniva ha dimostrato il primo passo cruciale, ovvero dimostrare che può produrre celle solari con un'efficienza superiore al 20% utilizzando la serigrafia. I risultati sono stati confermati dal Laboratorio Nazionale Energie Rinnovabili , a Golden, CO. Ma per questi test, Suniva ha utilizzato celle con wafer di silicio dello spessore di 200 micrometri e per raggiungere 8 centesimi al kilowatt saranno necessari wafer da 100 micrometri. Che questo sia tecnicamente possibile è stato stabilito. La sfida consiste nell'acquisire grandi quantità di tale silicio, dal momento che wafer così sottili non sono disponibili in commercio, afferma Rohatgi. Inoltre, le fabbriche dovranno essere riorganizzate per gestire celle da 100 micrometri, che le macchine progettate per gestire wafer più spessi potrebbero rompere.
La priorità dell'azienda ora è aumentare la produzione delle sue celle da 200 micrometri altamente efficienti, che potrebbero ancora ridurre il costo dell'energia solare. Una volta stabilita la produzione ad alto volume, il passaggio successivo consiste nell'introdurre wafer più sottili, riducendo ulteriormente i costi.