Grazie alle lastre di silicio ad alta resistività, i pannelli solari cinesi raggiungono un’efficienza record e supereranno i 584 TWh prodotti nel 2024.
La corsa per aumentare l’efficienza dell’energia solare registra un nuovo progresso di origine cinese. Ricercatori e produttori del paese asiatico sono riusciti a migliorare le prestazioni delle celle fotovoltaiche grazie a un’ottimizzazione fondamentale nel trattamento dei fogli di silicio.
Si tratta di uno sviluppo che potrebbe contribuire ad aumentare la produzione elettrica senza necessità di ampliare la superficie installata.
La situazione mondiale dell’energia fotovoltaica
Questa ricerca emerge in un contesto di forte espansione dell’energia solare a livello globale, con la Cina come attore dominante nel settore. Secondo i dati del 2024 forniti da DPV Energy, il paese ha prodotto 584 TWh di elettricità grazie all’energia solare fotovoltaica, la cifra più alta al mondo. Molto indietro si trovano gli Stati Uniti, con 238 TWh; l’India, con 113 TWh; e il Giappone, con 110 TWh.
In Europa, la Germania rimane il paese di riferimento con 62 TWh, nonostante i livelli di radiazione solare siano inferiori rispetto ai paesi del sud del continente. Il suo primato è da attribuire a politiche di sostegno attuate da anni, come sussidi, incentivi fiscali e tariffe regolate vantaggiose per l’autoproduzione e la generazione da fonti rinnovabili.
Il contrasto è evidente nel caso della Spagna, uno dei paesi più soleggiati del mondo, con oltre 300 giorni di sole all’anno e tra 2.500 e 3.000 ore di radiazione solare, ma che ancora non sfrutta appieno tutto il proprio potenziale fotovoltaico.
Nuove lastre di silicio ad alta resistività
In questo contesto di crescita e competizione tecnologica, una delle aziende più influenti è la LONGi Green Energy Technology, fondata nel 2000 e considerata il più grande produttore mondiale di prodotti in silicio monocristallino, la tecnologia attualmente più efficiente nell’industria solare. L’azienda organizza la propria attività in cinque grandi aree, tra cui spiccano la produzione di lastre, cellule e moduli fotovoltaici, inclusi i noti pannelli della serie Hi-MO, utilizzati sia nelle abitazioni che nelle grandi centrali solari.
L’ultimo sviluppo di LONGi, realizzato in collaborazione con ricercatori dell’Università Sun Yat-sen, si concentra sul miglioramento delle prestazioni dei fogli di silicio ad alta resistività. Questo tipo di materiale offre vantaggi teorici in termini di efficienza rispetto ai fogli standard ottenuti con il metodo Czochralski, i quali presentano resistività moderata o bassa, maggiore robustezza meccanica e migliore tolleranza alle sollecitazioni termiche; tali caratteristiche facilitano la loro lavorazione industriale e riducono il rischio di danni durante la produzione.
Tuttavia, i primi test evidenziavano un problema: le lastre ad alta resistività tendevano a mostrare prestazioni inferiori a quelle previste. L’analisi rivelò che operavano con densità maggiori di portatori in eccesso nel punto di massima potenza e con gradienti di concentrazione più piatti. Questo comportamento riduceva l’accumulo dei portatori e ne aumentava la sensibilità alla ricombinazione ai bordi.
Nella pratica, in assenza di un trattamento specifico, i bordi della lastra fungevano da punto di perdita di carica, annullando i vantaggi teorici del materiale.
La soluzione proposta dal team è stata la passivazione dei bordi, un processo che riduce tali perdite e permette di controllare la ricombinazione. I ricercatori hanno verificato che la combinazione di alta resistività e di una passivazione efficace è fondamentale per raggiungere le prestazioni massime, poiché queste lastre entrano più facilmente nel regime di iniezione ad alto livello, una caratteristica fisica che favorisce fattori di riempimento più elevati e, di conseguenza, una maggiore efficienza.
Grazie a questo controllo, le lastre possono mantenere una raccolta dei portatori più efficace e trasformare il loro potenziale teorico in prestazioni reali superiori.
Per validare il processo, il team ha prodotto celle solari ibride a contatto posteriore interdigitato (HIBC) delle dimensioni di 18,3 centimetri per 9,1 centimetri, utilizzando sia lastre ad alta resistività che lastre standard Czochralski. La differenza principale dell’esperimento è stata che, nelle lastre ad alta resistività, i bordi sono rimasti privi di nitruro di silicio durante la deposizione chimica in fase di vapore, lasciando così lo strato di passivazione SiOx/n-poli-Si esposto e parzialmente rimosso durante la pulizia chimica umida.
Il processo completo di produzione ha incluso diverse fasi industriali: pulizia chimica umida, deposizione chimica da vapore (CVD), diffusione di fosforo, deposizione ad strati atomici (ALD), modellazione laser, deposizione fisica da vapore (PVD), isolamento elettrico e serigrafia.
In seguito, le celle sono state analizzate tramite un misuratore di curve IV, sistemi di metrologia per lastre, microscopia elettronica a trasmissione e strumenti di simulazione.
I risultati hanno confermato l’impatto del trattamento: l’introduzione di una passivazione efficace ai bordi ha migliorato le prestazioni sia nelle celle a bassa che ad alta resistività, sebbene i miglioramenti siano stati significativamente maggiori in queste ultime.
Il progresso, di natura tecnica ma con implicazioni industriali, rafforza la tendenza del settore verso miglioramenti progressivi dello silicio, un materiale che rimane alla base di oltre il 90 % dei pannelli solari mondiali. In un mercato in cui ogni piccolo aumento di efficienza riduce i costi e aumenta la produzione per metro quadrato, sviluppi come questo consolidano il leadership tecnologico della Cina e avvicinano uno scenario in cui l’energia
