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CAPITOLO 1
IL FOTOVOLTAICO COME FONTE
ENERGETICA ALTERNATIVA
1.1 SVILUPPO DELL’INDUSTRIA FOTOVOLTAICA
Nel panorama delle energie rinnovabili, il fotovoltaico ricopre un ruolo di rilievo solo
recentemente, sebbene i principi fisici alla base del processo fossero conosciuti già nel XIX
secolo e le date di nascita di congegni funzionanti risalgono al 1954 (prima cella in silicio
con 6% di efficienza) e al 1963 (primi moduli commerciali in silicio) [2].
Come è ben visibile in figura 1, c’è stata una crescita esponenziale dell’industria
fotovoltaica negli ultimi 30 anni del secolo scorso. In particolare, nel 1990 sono stati raggiunti
valori di produzione annuale intorno a 50 MW che si sono quasi quintuplicati dopo dieci anni.
La produzione mondiale nel 2005 è addirittura diventata sei volte superiore a quella di inizio
millennio.
figura 1 Produzione mondiale in potenza di moduli fotovoltaici [3, 4]
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1.1.1 Cause e possibilità di crescita
L’impressionante crescita del fotovoltaico nell’ultimo decennio è legata alle seguenti
motivazioni:
™ il crescente interesse scientifico riguardo lo studio e la realizzazione di dispositivi
che utilizzino materiali già collaudati, come il silicio, e la sintesi e progettazione di nuovi
materiali semiconduttori (composti, organici, nanostrutturati) con le funzionalità richieste;
™ i finanziamenti governativi che hanno permesso di introdurre il fotovoltaico in
maniera concorrenziale all’interno di aree ben definite di tecnologie per
approvvigionamento energetico.
L’industria fotovoltaica ha le potenzialità di diventare un importante fornitore di
elettricità nel XXI secolo, poiché ha un basso impatto ecologico (non produce alcun tipo di
inquinanti per l’ambiente), riducendo gli stress ambientali, ed è una fonte energetica sicura.
Ma, perché il fotovoltaico diventi più competitivo, è necessario incrementare il
volume di produzione cercando di raggiungere un certo mercato cumulativo in tempi brevi e
ridurre l’inevitabile costo superiore di questa tecnologia nella fase iniziale di sviluppo.
Bisogna anche considerare che tempi lunghi sono richiesti perché l’elettricità prodotta
da questa tecnologia diventi efficace dato che ogni singola fase dei processi industriali deve
essere investigata.
Sono trattati nei prossimi paragrafi alcuni aspetti economici e soluzioni proposte per
ridurre i costi dell’energia fotovoltaica e le linee di ricerca prevalenti nel settore.
1.1.2 Realtà ed esigenze di produzione
Una caratteristica positiva del fotovoltaico è che può essere considerato parte del
mercato industriale dell’elettronica dei semiconduttori; la relazione con questo settore in
rapida crescita, facilita un forte trasferimento tecnologico da un’industria matura a una
emergente. Fino al 1996 l’evoluzione del mercato fotovoltaico era approssimativamente del
15% annuo, ma attualmente le velocità di crescita risultano già raddoppiate [5].
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Per far diventare la conversione di energia solare tramite processi fotovoltaici un
sostanziale mezzo per contribuire alla produzione generale di elettricità, è necessario un
notevole incremento nel volume di produzione di moduli fotovoltaici di circa 300 megawatt
di picco (MW
p
) all’anno rispetto ai valori attuali di produzione. Perciò, solo a livelli
nell’ordine di grandezza tra 100 GW
p
e 1000 GW
p
annuali, i moduli solari fotovoltaici
potranno avere un effetto consistente nella sostituzione di combustibili fossili o nella
sostituzione di centrali nucleari a livello globale, per cui si è ipotizzato che, mantenendo lo
stesso incremento di produzione all’anno attuale, siano necessarie almeno due decadi per
raggiungere gli ordini di grandezza necessari [6].
Risulta quindi necessario scegliere una tecnologia di celle fotovoltaiche che possa
provvedere a tale volume di produzione di massa; nel paragrafo 1.2 si analizzano i materiali
verso cui è orientato il segmento industriale del fotovoltaico.
1.1.3 Aspetti economici
Le situazioni in cui i sistemi fotovoltaici operano e la gamma di utilizzo dell’energia
elettrica prodotta sono enormi, ma esistono tante altre ben sviluppate tecnologie, più
ampiamente utilizzate per fornire elettricità principalmente perché è richiesto un investimento
di capitali minore, a partire dalle grandi aziende fino all’utente finale che si trovino a
valutarne la convenienza.
Volendo fare a grandi linee un confronto tra le principali fonti rinnovabili
esclusivamente in termini di spesa richiesta per l’installazione di impianti energetici
rapportata alla potenza finale prodotta, è stato rappresentato in figura 2 l’intervallo dei costi
per ogni tecnologia, di cui si menziona il componente principale per la produzione energetica.
Risulta dal grafico in figura 2 che i costi per installare un sistema fotovoltaico raggiungono al
minimo il valore di 6 € per ogni watt di potenza prodotta (impianti di grosse dimensioni),
mentre le 5 alternative considerate hanno costi massimi inferiori alla metà di tale cifra.
Nel paragone tra i prezzi di differenti alternative, in effetti, non si deve tener conto
solo della situazione attuale, ma lo stesso valore del prodotto sul mercato; il costo di questa
opzione oggi, in altri termini, va confrontato con quello dei concorrenti nel momento in cui
hanno raggiunto in passato lo stesso livello di produzione, tenendo conto dei fattori di merito.
5
figura 2 Confronto tra i costi di installazione per tecnologie di energie rinnovabili [1]
Inoltre è da notare che fino al 2000 si è riscontrato nel costo dei moduli fotovoltaici un
abbattimento del 20% in media del prezzo di mercato ed è generalmente accettato che è
possibile ridurlo ulteriormente di un altro fattore uguale sia continuando sulla linea di
produzione di massa attuale dei wafer in silicio cristallino, che sviluppando nuove tecnologie
indagate in laboratorio (a cui si fa riferimento di seguito nel capitolo), di cui alcune sono già
in fase di produzione pilota [5].
Energia Tecnologia
1. fotovoltaica cella / modulo
2. solare termica collettore solare
3. eolica aerogeneratore
4. geotermica pompa di calore
5. idroelettrica turbina
6. biomassa vari processi
c
o
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8
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fonti energetiche
6
1.1.4 L’impegno della ricerca
La necessità di ridurre i costi del fotovoltaico e renderlo più competitivo rispetto alle
altre soluzioni rinnovabili, ha indirizzato il lavoro dei ricercatori che operano nel settore verso
più strade accessibili e anche il mondo dell’industria sta esplorando queste possibilità.
Ricerca sperimentale e trasferimento industriale sono orientati verso i seguenti
obiettivi principali:
¾ utilizzo di quantità inferiori di materie prime (deposizione di film sottili,
substrati meno spessi) o materiali meno costosi (celle organiche, substrati ceramici)
eventualmente rinunciando a elevata purezza e qualità;
¾ miglioramento delle prestazioni delle celle, controllando nella realizzazione dei
dispositivi i vari processi e i fattori sperimentali da cui sono influenzati (temperatura,
concentrazione e velocità di reazione dei componenti, contaminazioni, ecc.);
¾ mantenere un elevato rendimento di produzione, riducendo la quantità di
moduli scartati dal controllo di qualità e riutilizzando questo tipo di rifiuti;
¾ sviluppo di sistemi per aumentare l’assorbimento efficientemente e la porzione
di radiazione solare utile come nel caso dei concentratori, senza aumentare costi o
perdite ottiche nel materiale (riflessione, ricombinazione non radiativa delle cariche);
¾ incrementare la velocità di fabbricazione e la semplicità delle fasi di
lavorazione, riducendo anche i costi delle apparecchiature.
Le scelte produttive per ottenere progressi tecnologici e/o economici riguardano un
compromesso tra la selezione dei materiali di partenza e particolari strategie utili per
raggiungere uno solo o più obiettivi contemporaneamente.
Di seguito sono affrontati entrambi gli argomenti, preceduti da una digressione su
quella che è la realtà italiana odierna in questo campo.
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1.1.5 Il fotovoltaico in Italia
Nella nostra penisola risulta che siano stati installati nel 2005 solo 37,5 MW di
potenza fotovoltaica, ben al di sotto della media europea di 141 MW; ciò nonostante, il nostro
paese è caratterizzato da maggiore insolazione in buona parte dell’anno rispetto ad altri stati
continentali, quali ad esempio la Germania, che ha detenuto nello stesso anno il primato
mondiale di installazione di pannelli fotovoltaici con 1429 MW di potenza [1].
In effetti, lo Stato Italiano solo da poco tempo ha emanato alcune forme di incentivi
per l’installazione di pannelli fotovoltaici, in seguito alla Direttiva europea per le fonti
rinnovabili (2001/77/CE), recepita con l’entrata in vigore del decreto legislativo DL 387/2003
nel 2005.
Negli ultimi anni sono state introdotte novità non trascurabili; in particolare, da fine
febbraio 2007, è entrato in vigore il nuovo conto energia con notevoli vantaggi per il comune
cittadino, oltre che per le aziende, tra cui i seguenti:
ξ abbattimento della burocrazia necessaria ad ottenere l’incentivo
ξ innalzamento del numero di impianti finanziabili
ξ possibilità di installazione abbastanza immediata
ξ vendita dell’energia prodotta al gestore elettrico nazionale
ξ esenzione da tasse per gli impianti fino a 20 kW
p
realizzati entro il 2008
Questo nuovo sistema si spera darà l’impulso vincente per permettere anche in Italia il
buon successo degli impianti solari per la produzione di energia elettrica, come è già accaduto
in Germania dove i finanziamenti in conto energia hanno permesso il decollo del settore
fotovoltaico, rendendola il secondo stato solare fotovoltaico al mondo [7].
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1.2 MATERIALI PER APPLICAZIONI FOTOVOLTAICHE
Le celle solari possono essere fabbricate da materiali semiconduttori, principalmente
scelti in base alle loro caratteristiche assorbenti nei confronti dello spettro solare e al costo di
fabbricazione. Tali semiconduttori, inoltre, devono essere di grado elettronico cioè devono
avere una natura cristallina molto pura (99,9999%), che conferisce loro utilissime proprietà
elettroniche ed ottiche.
Questi materiali si caratterizzano elettricamente per una conducibilità intermedia tra
isolanti e conduttori, sensibile alla temperatura, all’illuminazione, al campo magnetico e a
piccole quantità di impurezze e otticamente per il fatto di avere una banda proibita ai portatori
di carica, detta energy-gap, tra la banda di valenza e quella di conduzione, con un valore
molto piccolo, dell’ordine di qualche elettronVolt (1 eV = 1,6 * 10
-19
J).
L’energy-gap (E
G
), come mostrano i diagrammi a bande di figura 3, rappresenta
quindi anche il valore minimo di energia E necessaria ai fotoni incidenti affinché possano
essere assorbiti nel materiale; la struttura energetica dei materiali dipende da una loro
proprietà detta momento (p); in base alla relazione ottica E(p) i semiconduttori si dividono in
materiali diretti e indiretti: nel primo caso (figura 3a) non c’è un cambio di momento per far
transitare elettroni tra le bande di valenza e conduzione, nell’altro caso (figura 3b) la
variazione di momento è realizzata per interazione dei fotoni con altre particelle, i fononi.
figura 3 Relazione energia-momento nei diagrammi a bande dei materiali
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