Policristallino o film sottile nel fotovoltaico: differenze,vantaggi e svantaggi

Il mondo del foto voltaico vive ormai il suo dodicesimo anno a partire da quando sono erogati gli incentivi statali dei vari conti energia, ed è ormai sulla bocca di tutti. Solo in Italia la potenza installata è arrivata oltre i 16.000 MWp e continua a crescere, anche se non con i ritmi degli scorsi anni e nonostante la crisi. Il quarto conto energia e probabilmente anche tutti quelli che dopo di questo verranno, prevedono una remunerazione diversa a seconda del tipo di moduli che si utilizzano per costruire l’impianto. A questo proposito il nostro team ha deciso di pubblicare il presente articolo, per offrire una panoramica sulle principali tecnologie ad oggi utilizzate nella costruzione di impianti a energia solare fotovoltaica.

Introduzione

Il mondo del foto voltaico vive ormai il suo dodicesimo anno a partire da quando sono erogati gli incentivi statali dei vari conti energia, ed è ormai sulla bocca di tutti. Solo in Italia la potenza installata è arrivata oltre i 16.000 MWp e continua a crescere, anche se non con i ritmi degli scorsi anni e nonostante la crisi. Il quarto conto energia e probabilmente anche tutti quelli che dopo di questo verranno, prevedono una remunerazione diversa a seconda del tipo di moduli che si utilizzano per costruire l’impianto. A questo proposito il nostro team ha deciso di pubblicare il presente articolo, per offrire una panoramica sulle principali tecnologie ad oggi utilizzate nella costruzione di impianti a energia solare fotovoltaica: la famiglia di moduli a film sottile e quella a silicio cristallino analizzando le principali differenze e mettendone in luce vantaggi e svantaggi. Esistono anche altri tipi di tecnologie fotovoltaiche (come per esempio i moduli organici, i moduli spray biologici ecc…) ma si tratta di tecnologie ancora in fase prototipale e non in commercio, per questo non le prenderemo in considerazione in questa analisi. Scopo di questo articolo è quindi mostrarvi quali sono vantaggi e svantaggi delle due tecnologie. Prima di iniziare è obbligo precisare che il mercato in oggetto è in velocissima evoluzione e quindi riuscire a categorizzare e generalizzare tecnologie così diverse è sempre difficile e non esente da errori intriseci, cercheremo quindi di fissare soltanto i concetti più generali e che sicuramente differenziano le tecnologie.

Film sottile e cristallino

Vediamo cosa intendiamo per modulo a silicio cristallino e a film sottile,in generale si può dire che:

Silicio cristallino: sono i moduli fotovoltaici più diffusi e prodotti (oltre il 75% della produzione mondiale e delle installazioni previste nel 2012 sono di questo tipo.[1]). Questi pannelli sono ottenuti per drogaggio di lamine di cristalli di silicio. Questa categoria è ulteriormente divisa in due categorie: policristallino e monocristallino. Le due tecnologie differiscono nel substrato sui cui si effettua il drogaggio del semiconduttore di silicio, ma, ai fini tecnologici, sono assimilabili poiché differiscono nel rendimento di al massimo 1-2% (a favore del monocristallino).

Film sottile: con il termine film sottile ci si riferisce generalmente a queste tecnologie:

  • Silicio amorfo (a-Si),
  • Rame Inidio Gallio Selenio (CGIS)
  • Telloruro di Cadmio (TeCd)
  • Fotovoltaico organico (OPV/ DSC/ DYSC).

Di queste tecnologie, ad oggi, la largamente più diffusa a livello commerciale è quella del silicio amorfo. Prenderemo quindi questa tecnologia ad esempio per il nostro raffronto. In figura 1 troviamo una rappresentazione delle due tecnologie anche in termini di struttura del supporto attivo semiconduttore così come differisce fra le due.

Figura 1 – Esempi di pannelli fotovoltaici a film sottile (sulla sinistra) e i classici cristallini (sulla destra) – sotto una rappresentazione delle differenti stratificazioni che formano le parti attive.

Per iniziare l’analisi e al fine di mettere in campo tutti gli elementi di confronto ecco in Figura 2 una tabella raffigurante le principali differenze fra le due tecnologie.

Caratteristiche specifiche per tecnologia Siliciocristallino Film sottile
Densità energetica [W/m2] 145 80
Decadimento delle prestazioni nei primi 20 anni di esercizio [%/anno] -0,807 -0,256
Perdite per effetto della temperatura [%/°C] -0,45 -0,25
Efficienza dei moduli [%] 13 ÷ 19 6 ÷ 12
Spazio richiesto per kWp installato [m2/kWp] 7,5 12
Strutturedi montaggio Standard, disponibili a livello commerciale Possono richiedere particolari configurazioni
Apllicazioni tipiche consigliate Residenziale/commerciale/industriale – CONSIGLIATO PER ZONE CON TEMPERATURA AMBIENTE MEDIA O BASSA Residenziale/commerciale/industriale-CONSIGLIATO PER ZONE CON ALTE TEMPERATURE AMBIENTE
Principali case costruttrici Kyocera, Evergreen, Sanyo, Schuco, Canadian Solar, Sharp, Yingli, ET solar, Solon, Schott, Coenergy, REC solar, solarworld, Sunpower First solar, Solyndra, Unisolar, Konarka, Dye solar, Bosch solar, Sharp, Abound solar

Figura 2 – principali differenze costruttive e tecnologiche fra film sottile e silicio cristallino.

Vediamo adesso alcuni dettagli sulle caratteristiche delle due tipologie di modulo.

Le perdite per effetto della temperatura

Le perdite per temperatura sono un parametro tipico di ogni semiconduttore: in pratica maggiore è la temperatura della cella, e quindi del reticolo semiconduttore, maggiore è il disordine molecolare anche superficiale degli elettroni in banda di conduzione; in particolare una maggiore temperatura aumenta il grado di agitazione degli elettroni preposti a combinarsi per effetto fotovoltaico e, quindi, ne impedisce i loro movimenti utili. In termini più tecnici all’aumentare della temperatura si riduce la banda di valenza del semiconduttore e quindi la sua capacità di assorbire i fotoni della luce, l’effetto si traduce in un abbassamento della tensione della cella e quindi della sua potenza erogata.[3] Si può altresì dimostrare che maggiore è la tensione a cui opera il modulo fotovoltaico minori sono tali perdite.[3] La tecnologia a film sottile opera, a parità di potenza, con tensioni superiori di quella del fotovoltaico tradizionale cristallino e questo fa si che le perdite per temperatura sino più contenute. In conclusione in zone dove le temperature medie sono particolarmente elevate i moduli a film sottile possono avere performance più stabili rispetto ai cristallini. Nel grafico della figura 3 si rappresenta l’andamento delle perdite per effetto della temperatura nelle due tecnologie al variare della temperatura esterna. Si è supposto un irraggiamento solare di 800 W/m2, per i moduli cristallini si è assunto inoltre NOCT = 45°C, rendimento nominale 14% e fattore di potenza di -0,45%/°C. Per i moduli al film sottile invece si è considerato NOCT = 40°C, rendimento nominale 9,3% e fattore di potenza di -0,22%/°C.

Figura 3 – andamento delle perdite per effetto della temperatura per le due tecnologie esaminate, si nota subito che il silicio amorfo risente meno degli effetti per alte temperature. I grafici sono ottenuti a partire dal modello termico standard di una cella fotovololtaica.[5]
Il grafico ci mostra in rosso le perdite di temperatura per la tecnologia del silicio amorfo (film sottile) e in verde quelle del cristallino tradizionale mentre in blu è tracciato l’andamento della temperatura dei moduli al variare della temperatura esterna supponendo un irraggiamento solare di 800W/m2. A zero gradi centigradi di temperatura ambiente si hanno i due rendimenti nominali, a temperature minori si hanno guadagni di rendimento mentre ad alte temperature i pannelli perdono producibilità. [5] Se si vogliono ulteriori informazioni sulle perdite per temperatura si rimanda al modello termico già precedentemente descritto da Energyhunters.[5]

CONCLUSIONE: Laddove l’irraggiamento sia elevato e tale da generare alte temperature, laddove lo smaltimento termico o la temperatura esterna medi siano tali da causare elevate temperature d’esercizio dei moduli, i moduli al silicio cristallino registrano un calo di rendimento notevole rispetto alle condizioni nominali. Occorre valutare attentamente queste perdite in fase di scelta del modulo e valutare l’utilizzo del film sottile.

L’efficienza dei moduli e il decadimento delle prestazioni nel tempo.

L’efficienza è spesso un parametro centrale nella scelta del modulo fotovoltaico. Come evidenziava già la tabella di figura 2 il rendimento medio delle celle policristalline è intorno al 14% mentre quello del silicio amorfo costituente il film sottile è circa il 9%. Da questa considerazione muove subito una deduzione importante: A parità di superficie la potenza installata con il film sottile può arrivare ad essere anche il 50% in meno rispetto al cristallino.

I pannelli in film sottile hanno però due principali vantaggi che compensano la scarsa densità energetica:

  • Un minore decadimento delle prestazioni nel tempo (il coefficiente di invecchiamento nel fotovoltaico a film sottile è molto minore che nel fotovoltaico tradizionale)
  • Un maggiore fattore di conversione alla luce diffusa che si traduce quindi in un rendimento complessivo maggiore in condizioni di basso irraggiamento, di foschia diffusa e in presenza di ombre o esposizioni non ideali, spiegheremo in seguito il perché di questo fenomeno.

La principale differenza – la reazione alla luce diffusa

La luce solare quando entra in atmosfera si divide in 4 componenti: la componente diretta che incide direttamente sui moduli fotovoltaici, quella diffusa che viene “spalmata” su tutta la volta celeste e quella riflessa (si veda figura 4), mentre una quarta parte viene assorbita dagli strati atmosferici e quindi persa.[6]

Figura 4 – Descrizione della distribuzione e del comportamento della radiazione solare nell’atmosfera terrestre e aliquote di scomposizione per varie tipologie di condizioni climatico/atmosferiche.

Facciamo adesso riferimento alla figura 5 e supponiamo inizialmente di essere in condizioni di cielo sereno e sgombro. In ascissa nel grafico è riportata la lunghezza d’onda della radiazione e dello spettro di assorbimento per le varie tecnologie mentre in ordinata lo spettro di emissione del sole e quello di assorbimento entrambi normalizzati. In condizioni stazionarie classiche (atmosfera standard 1.5 1000W/m2) l’irraggiamento solare descrive un emissione di potenza uguale a quella descritta dalla curva gialla per le diverse lunghezze d’onda in esame. Le curve colorate sovrapposte a quella gialla sono invece le curve di assorbimento corrispondenti alle varie tecnologie di moduli fotovoltaici, esse sono fondamentali per capire come il modulo si comporta al variare delle condizioni atmosferiche presenti.

Figura 5 – Spettro di assorbimento normalizzato delle principali tecnologie fotovoltaiche e irraggiamento solare standard sulla superficie terrestre AM 1.5 anche essa normalizzata (1000 W/mq)

Cerchiamo quindi ora di capire quale tra i due moduli in esame, renda più energia al variare delle condizioni dell’atmosfera, si nota però subito che:

  • Il silicio cristallino ha una banda di assorbimento larga, che comprende anche i raggi infrarossi ma che spazia in frequenze dove il contenuto energetico è più basso e l’intensità della radiazione minore.
  • Il silicio amorfo invece ha una banda di assorbimento più stretta ma centrata a frequenze maggiormente energetiche e con maggiore emissività.

Andiamo adesso nel dettaglio,cominciamo con una premessa. La radiazione solare che entra nell’atmosfera, come abbiamo spiegato, viene in parte diffusa nella stessa. Questo accade a causa di un fenomeno quantistico detto “scattering” (che significa letteralmente sparpagliamento). Lo scattering consiste nell’interazione di radiazione elettromagnetica con particelle la cui lunghezza d’onda è paragonabile a quella della radiazione stessa. Nel caso dell’atmosfera terrestre, soprattutto quando essa è popolata da perturbazioni atmosferiche, lo scattering aumenta e disperde la radiazione ad alta frequenze (quella verso il blu) creando fra gli altri fenomeni la colorazione blu del cielo mentre fa passare le componenti a bassa frequenza verso il rosso. Il fenomeno è illustrato nella figura 6. [4]

Figura 6 – descrizione esemplificativa di scattering in atmosfera terrestre, laddove ci sono particelle atmosferiche presenti la luce blu ad alta energia interagisce con le particelle e viene sparsa sulla volta celeste creando luce diffusa mentre la rossa che ha una lunghezza d’onda diversa da quella caratteristica delle particelle in atmosfera passa e arriva al suolo. [4].
Da questa breve spiegazione e osservando attentamente le bande di assorbimento della figura 5 si può quindi concludere che:

  • Quando si ha cielo coperto: lo spettro di emissione (in giallo in figura 5) diminuisce a tutte le frequenze, la luce diffusa inoltre è prevalente rispetto a quella diretta (figura 3). I pannelli fotovoltaici in silicio amorfo assorbono più radiazione poiché la poca che c’è è nelle frequenze alte del blu laddove invece il cristallino non rende molto. Maggiore resa del film sottile.
  • Quando il pannello fotovoltaico non è orientato (rispetto a sud) o inclinato correttamente (rispetto al piano verticale): la componente diffusa aumenta rispetto a quella diretta per motivi semplicemente geometrici, i pannelli fotovoltaici a film sottile sono più efficienti e riescono a captare meglio la componente diffusa. Maggiore resa del film sottile
  • Quando si hanno condizioni ideali: In questo caso la resa fotovoltaica è a favore del cristallino, esso raccoglie uno spettro di frequenze meno energetiche ma più numerose ed essendo esse piene di radiazione diretta fanno si che alla fine la resa globale sia maggiore.

CONCLUSIONE: Si consiglia di installare film sottile laddove le condizioni di irraggiamento solare siano sfavorevoli (inclinazioni non ideali, orientamento rispetto a sud impossibile, presenza di ombre ecc…), per le restanti applicazioni il silicio cristallino è più performante a parità di potenza installata.

Aspetti economici

I costi sono sempre la cosa più difficile da analizzare data la volatilità del mercato e dell’andamento borsistico del mercato a pronti, fonti interne a Energyhunters che, in quanto tali, sono frutto di sondaggi e ricerche di mercato, per il 2011 e inizio 2012, danno un sostanziale pareggio dei prezzi per i piccoli impianti (massimo 10% più economici per il film sottile) mentre invece sugli impianti grandi si hanno differenze di costo maggiori sempre a favore dei film sottili. Per dare un’idea di massima nella figura sottostante si riporta l’andamento dei prezzi di impianti solari fotovoltaici a film sottile e cristallino chiavi in mano, al variare della potenza di picco dell’impianto (Figura 7).

Figura 7 – andamento dei prezzi chiavi in mano per gli impianti fotovoltaici costruiti con film sottile e con silicio cristallino. Fonte: dati interni ad EnergyHunters.

Se da una parte quindi, in generale, il costo del film sottile è inferiore a quello del silicio amorfo si deve però tenere conto che:

  • Si potrebbero avere maggiori costi dovuti alla maggiore superficie impiegata nella realizzazione
  • Si potrebbero avere maggiori costi rispetto al fotovoltaico tradizionale se si utilizzano supporti anche per il film sottile (se ne userebbero di più a parità di potenza di picco).
  • Si potrebbero avere maggiori costi dovuti ai dispositivi di interconnessione e isolamento:, come detto infatti il film sottile lavora a tensioni di open circuit maggiori a parità di potenza

Conclusioni

Per potenze notevoli di impianto, in condizioni particolari climatiche e/o geometriche e in tutti i casi non classici uno studio della convenienza rispetto alla tecnologia utilizzata sarebbe quantomeno da prevedere per coloro che si apprestano a costruire un impianto fotovoltaico. Le differenti caratteristiche generali non appena citate ci fanno dedurre che l’analisi non può però essere esente dal caso specifico di applicazione e deve richiedere metodologie di calcolo dedicate al sito e alla situazione produttiva. Le temperature, le inclinazioni, le superfici e quindi gli smaltimenti termici, le superfici disponibili, il budget e tutti gli altri fattori tipici di un progetto possono già oggi spostare la scelta su una tecnologia piuttosto che sull’altra. Oggi la maggior parte degli installatori, forse peccando di poco spirito di iniziativa, per non avere rivalse sui clienti si affida alle tecnologie classiche policristalline lasciando in ombra soluzioni tecnologiche a volte più interessanti.

References:

[1]: Solar Energy Report – Aprile 2011 – www.energystrategy.it

[2]: National renewable energy laboratories – Polycrystalline Thin-Film Materials and Devices R&D – http://www.nrel.gov/pv/thinfilm.html

[3]: http://www.pveducation.org/pvcdrom/solar-cell-operation/effect-of-temperature

[4]: http://www.pveducation.org/pvcdrom/properties-of-sunlight/atmospheric-effects

[5]: http://www.energyhunters.it/il-noct-e-leffetto-della-temperatura-sui-moduli-fotovoltaici/

[6]: http://www.myvirtuallab.org/articoli/energia-fotovoltaica/radiazione-solare-diffusa-diretta-riflessa.html

[7]: Il quarto conto energia 2011/2013: http://www.gse.it/attivita/ContoEnergiaF/servizi/QuartoContoEnergia/Pagine/default.aspx

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