Pannelli solari: da dove arriva il silicio al loro interno?

Scopri da dove arriva il silicio all’interno dei pannelli fotovoltaici

Una delle soluzioni principali per contrastare la crisi energetica ed economica è quella di installare dei moduli fotovoltaici sul proprio tetto di casa. L’energia solare prodotta da un impianto fotovoltaico, infatti, è una valida alleata per accelerare la transizione energetica risparmiando al contempo in bolletta. Con i moduli fotovoltaici, infatti, si ha la possibilità di produrre energia pulita per l’alimentazione delle proprie utenze domestiche, e questo è possibile grazie all’utilizzo del proprio autoconsumo fotovoltaico che ti permette di renderti sempre più indipendente dalla rete elettrica nazionale.

L’installazione di un impianto fotovoltaico residenziale, oltretutto, è stata resa ancora più facile e veloce grazie al decreto dei moduli fotovoltaici liberi! Questo emendamento ha velocizzato tutti gli iter autorizzativi per permettere ai cittadini italiani di installare ancora più velocemente un impianto fotovoltaico sul proprio tetto.

In questo articolo vogliamo rispondere a tutti i tuoi dubbi sui materiali utilizzati nella produzione dei pannelli solari fotovoltaici, con un particolare focus sul silicio, elemento fondamentale nella costruzione della cella fotovoltaica che va a completare la progettazione di un modulo fotovoltaico.

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Quali sono i componenti e i materiali di un pannello fotovoltaico?

Prima di esplorare più approfonditamente il ruolo del silicio nei pannelli fotovoltaici, è opportuno rinfrescare la memoria riguardo alle componenti e ai materiali che costituiscono tali dispositivi.

Un modulo fotovoltaico è costituito da diverse componenti, ciascuna delle quali gioca un ruolo cruciale nell'ottimizzazione dell'intero sistema:

• La struttura di supporto costituisce la base su cui poggia il pannello fotovoltaico, garantendo stabilità e durabilità. Questo elemento fornisce il sostegno necessario per posizionare correttamente il pannello e resistere alle varie sollecitazioni ambientali
• L'Etilen Vinil Acetato (EVA) è un materiale termoplastico usato per stratificare e proteggere la cella fotovoltaica all'interno del pannello. Questo strato ha il compito di proteggere la cella dall'umidità, dall'inquinamento e dagli agenti atmosferici, assicurando allo stesso tempo una trasmissione ottimale della luce per massimizzare l'efficienza della conversione solare in energia elettrica
• La cella fotovoltaica è il nucleo del pannello, dove avviene la conversione dell'energia solare in energia elettrica tramite l'effetto fotovoltaico. Queste celle sono costituite da materiali semiconduttori, come il silicio, capaci di generare una differenza di potenziale elettrico quando esposti alla luce solare
• Lo strato di vetro temprato viene posizionato sopra la cella fotovoltaica per fornire protezione meccanica e resistenza agli agenti atmosferici. Questo strato trasparente protegge la cella da danni fisici e garantisce una maggiore durabilità nel tempo, mantenendo le prestazioni ottimali anche in condizioni ambientali avverse
• La cornice di alluminio è un telaio robusto che circonda il pannello, conferendogli stabilità strutturale e proteggendolo da eventuali danni meccanici. Questo elemento non solo fornisce supporto fisico al pannello, ma semplifica anche il processo di installazione, consentendo una corretta posizione e fissaggio
• La scatola di giunzione è un componente essenziale del pannello fotovoltaico che contiene gli elementi elettrici, come diodi di bypass e connettori, proteggendoli dagli agenti atmosferici e dall'umidità. Questo elemento facilita anche la connessione del pannello con altri pannelli o con il sistema di accumulo dell'energia, garantendo una gestione efficace e una distribuzione appropriata dell'elettricità prodotta

È rilevante sottolineare che, dal punto di vista ambientale, i pannelli fotovoltaici presentano un impatto praticamente nullo, poiché il 95% dei materiali utilizzati nella loro costruzione è riciclabile. Questo aspetto sottolinea l'impegno del settore verso la sostenibilità e l'efficienza energetica, contribuendo a promuovere l'adozione di fonti di energia rinnovabile.

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Il silicio dei pannelli fotovoltaici

Il silicio è un materiale fondamentale nella produzione dei pannelli solari fotovoltaici. Come abbiamo già visto in un altro articolo del nostro blog, il primo step di produzione dei moduli fotovoltaici è incentrato proprio sulla fabbricazione di questo materiale.

Il silicio è un elemento semiconduttore, quindi riesce a catturare in maniera molto semplice il calore, e viene utilizzato nelle celle fotovoltaiche per produrre energia. Come ben saprai, il cosiddetto effetto fotovoltaico è realizzato attraverso l’irraggiamento solare delle celle fotovoltaiche, che producono energia in corrente continua, che poi viene convertita grazie all’inverter fotovoltaico in corrente alternata, utilizzabile per l’alimentazione delle utenze domestiche.

Il silicio è un elemento fondamentale nella produzione di celle fotovoltaiche grazie alla sua capacità di convertire rapidamente l'energia solare in energia elettrica. Questo rende possibile utilizzare efficacemente la luce solare per generare elettricità. Le celle fotovoltaiche si differenziano a seconda del tipo di trattamento del silicio utilizzato, dando origine a diverse tipologie:

• Celle fotovoltaiche a silicio monocristallino: In queste celle, gli atomi di silicio sono disposti in modo da formare un singolo cristallo, simile a un lingotto. Questa struttura consente una maggiore efficienza nella conversione dell'energia solare in energia elettrica, ma il processo di produzione è generalmente più costoso
• Celle fotovoltaiche a silicio policristallino: In questo tipo di celle, gli atomi di silicio sono organizzati in vari cristalli uniti tra loro. Sebbene queste celle siano meno efficienti rispetto a quelle monocristalline, sono più economiche da produrre e rappresentano una scelta conveniente per alcune applicazioni
• Celle fotovoltaiche a film sottile: Queste celle utilizzano materiali semiconduttori diversi dal silicio, che vengono depositati in uno strato sottile su una lastra di vetro o metallo. Questo metodo consente di ridurre i costi di produzione e di realizzare celle fotovoltaiche più leggere e flessibili, ideali per installazioni su superfici non convenzionali o integrate negli edifici

Nell'infografica sottostante trovi riassunte le principali caratteristiche dei vari tipi di silicio dei pannelli fotovoltaici.

Bene, ora che abbiamo introdotto meglio il tema del silicio dei pannelli fotovoltaici, andiamo a focalizzarci sui pannelli solari monocristallini e policristallini!

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I pannelli solari monocristallini e policristallini

Andiamo ora a esaminare più nel dettaglio le due tipologie di pannelli solari più comunemente utilizzate sui tetti delle abitazioni: monocristallini e policristallini, e vediamo le caratteristiche e differenze.

Le celle solari realizzate con silicio monocristallino si presentano solitamente con una tonalità scura uniforme e sono costituite da wafer di silicio, noti anche come "fette di materiale", su cui vengono assemblati i circuiti integrati. Un beneficio fondamentale di questa tecnologia è la sua elevata efficienza, poiché questi pannelli risultano generalmente i più performanti quando installati in impianti fotovoltaici residenziali.

Le celle di silicio monocristallino possono vantare un rendimento compreso tra il 19% e il 21%, rappresentando la percentuale di energia solare assorbita che viene effettivamente convertita in energia elettrica. Grazie a questa caratteristica, i pannelli monocristallini richiedono uno spazio ridotto per generare la potenza desiderata rispetto a moduli meno efficienti.

Di solito, un pannello monocristallino è costituito da un numero variabile di celle, che può oscillare tra 60 e 72, con la configurazione di 72 celle che è la più comune. Questi pannelli sono in grado di generare una potenza di picco che va da 120 a 300 watt. Inoltre, i pannelli in silicio monocristallino si distinguono per la loro durabilità, con una vita utile che si attesta intorno ai 25 anni.

Per quanto riguarda invece gli impianti fotovoltaici basati su pannelli solari in silicio policristallino sono stati introdotti negli anni '80. Questa tecnologia impiega silicio ottenuto attraverso il processo di fusione del materiale e il successivo versamento in stampi quadrati. Questi stampi, una volta tagliati, costituiscono le basi per i wafer utilizzati nella fabbricazione dei pannelli. Questo metodo di produzione è noto per la sua semplicità e minor costo rispetto a quello impiegato per ottenere il silicio monocristallino, il che influisce naturalmente sul costo complessivo dei pannelli.

Le celle fotovoltaiche in silicio policristallino mostrano inoltre una buona resistenza al calore e alle elevate temperature, con un'aspettativa di vita media di circa 25 anni. Tuttavia, dal punto di vista estetico, questi pannelli non sono particolarmente apprezzati a causa della loro colorazione blu a chiazze. I moduli realizzati con silicio policristallino tendono a avere una potenza media compresa tra 150 e 180 watt, considerando uno standard di dimensioni di 160 x 85 cm per il pannello, con un rendimento variabile tra il 16% e il 18%.

Ma da dove arriva il silicio di questi pannelli fotovoltaici?

Innanzitutto, questo materiale è il secondo elemento chimico, dopo l’ossigeno, più abbondante sul pianeta. Ma è bene specificare che quello utilizzato nella produzione fotovoltaica è di fatto un prodotto industriale e si chiama silicio di grado solare e per essere tale presuppone un determinato processo di estrazione e lavorazione industriale.

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Cos'è il silicio di grado solare?

Ottenere il silicio in forma grezza risulta essere un compito agevole, considerando che è uno degli elementi più abbondanti sulla Terra (ad esempio, è presente nella sabbia). Tuttavia, affinché diventi idoneo per varie applicazioni nel campo tecnologico ed elettronico, è necessario sottoporlo a un processo di lavorazione, come l'estrazione e la raffinazione, al fine di determinarne il grado di purezza. Questo grado di purezza, a sua volta, influisce sulla tipologia di utilizzo del materiale, che può variare da quello metallurgico a quello solare, elettronico, ecc.

Il costo economico associato a questo materiale è influenzato dalla tipologia di processi di lavorazione ed estrazione richiesti in base al grado di raffinazione del silicio. Resta comunque uno degli elementi più ampiamente impiegati nelle nuove tecnologie, e in particolare, la produzione del silicio utilizzato nei pannelli solari, noto come silicio di grado solare, richiede un elevato livello di raffinazione. Il silicio presente nei moduli fotovoltaici possiede una purezza superiore rispetto a quello di grado metallurgico, ma inferiore a quello di grado elettronico.

Il grado di raffinazione di questo materiale incide inevitabilmente sul costo di produzione e fornitura, il che a sua volta si riflette sul costo dei pannelli solari fotovoltaici sul mercato.

Andiamo ora a scoprire di più riguardo il mercato del silicio per pannelli fotovoltaici e scopriamo chi sono i più grandi produttori!

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Il mercato del silicio di grado solare

Il mercato globale del silicio per i pannelli fotovoltaici è storicamente dominato da un esiguo numero di grandi player internazionali, la cui supremazia è emersa sin dagli anni '90 durante l'esplosione delle tecnologie informatiche. Tuttavia, il panorama sta lentamente mutando, aprendosi a nuovi protagonisti grazie alla crescente e rapida domanda a livello mondiale. Questo cambiamento è principalmente attribuibile al ruolo cruciale che l'energia solare sta assumendo nell'ambito delle alternative energetiche globali.

In Italia, ad esempio, le aziende attive nel settore del silicio policristallino sono scarse, con nomi come Silfab di Padova e Italsilicon di Milano che emergono come esempi significativi. Tuttavia, la produzione nazionale di silicio rappresenta solo una piccola percentuale del fabbisogno, con la stragrande maggioranza del 98% importata dai principali produttori internazionali.

Anche se le imprese italiane stanno assumendo un ruolo sempre più importante nella filiera fotovoltaica, non solo nell'assemblaggio dei pannelli utilizzando celle estere, ma anche nella distribuzione e installazione di impianti completi, la produzione e la vendita di silicio di alta qualità rimangono saldamente nelle mani di aziende straniere.

Tra i principali fornitori globali nel mercato del silicio, dominato da pochi grandi attori, troviamo il gruppo chimico giapponese Tokuyama, l'azienda statunitense Hemlock, la tedesca Wacker Chemie con sede a Monaco e REC Silicon negli Stati Uniti.

La produzione di celle fotovoltaiche è diventata una parte significativa dell'industria energetica globale, con alcuni paesi emergenti come leader in questo settore.

I principali produttori includono:

• Cina
• Giappone
• Germania
• Gran Bretagna
• Stati Uniti

Solo pochi anni fa, Stati Uniti, Germania e Giappone dominavano il mercato del silicio adatto all'uso fotovoltaico, detenendo il 90% della quota di mercato.

Tuttavia, il panorama sta subendo cambiamenti sostanziali, grazie alla diffusione e all'avanzamento delle tecnologie fotovoltaiche. Questo ha innescato un aumento significativo della produzione, con conseguente riduzione dei prezzi grazie all'espansione delle economie di scala. Con l'incremento della produzione e la riduzione dei costi, sempre più nazioni stanno adottando l'energia solare come parte integrante della propria infrastruttura energetica.

La Cina, in particolare, ha svolto un ruolo dominante nella produzione di celle fotovoltaiche, diventando il principale produttore mondiale. Grazie agli investimenti massicci nel settore e alla sua capacità di scala, la Cina ha contribuito in modo significativo alla democratizzazione dell'energia solare, rendendola più accessibile a livello globale.

Anche altri paesi stanno aumentando la propria capacità produttiva nel settore fotovoltaico, spinti dalla crescente consapevolezza dell'importanza delle energie rinnovabili e dalle pressioni per ridurre le emissioni di gas serra. Questo trend indica una transizione verso un'economia dell'energia più sostenibile e resiliente, con l'energia solare che svolge un ruolo sempre più centrale nel mix energetico globale.

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Quali sono lalternative future al silicio dei pannelli fotovoltaici?

Guardando avanti, si sta esplorando l'uso di alternative al silicio nelle celle fotovoltaiche. Una di queste alternative è rappresentata dalla perovskite, un minerale composto da biossido di titanio e calcio, caratterizzato da eccellenti proprietà conduttrici. La perovskite ha il potenziale di aumentare l'efficienza energetica fino al 15% rispetto alle celle tradizionali in silicio, poiché è in grado di reagire a una gamma più ampia di lunghezze d'onda della luce solare, consentendo una maggiore conversione dell'energia.

L'utilizzo della perovskite potrebbe anche contribuire a ridurre i costi di produzione, che attualmente sono ancora elevati per le celle in silicio, poiché questo materiale è più facile da lavorare. Inoltre, la perovskite è flessibile e semi-trasparente, il che la rende adatta per essere applicata sulle facciate degli edifici.

Questa soluzione potrebbe diventare molto richiesta in futuro. Tuttavia, sorgono alcune preoccupazioni riguardo alla durata effettiva delle celle fotovoltaiche realizzate con questo materiale innovativo, così come riguardo alla possibile presenza di sostanze tossiche nel processo produttivo. Ciò che è certo, però, è che le emissioni legate alla produzione e all'utilizzo delle celle a base di perovskite sono significativamente inferiori rispetto a quelle delle celle in silicio, con una riduzione fino a quattro volte.

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Conclusione

Speriamo che questo approfondimento ti abbia fornito una panoramica esauriente sulla complessa produzione e sui produttori dei pannelli fotovoltaici, partendo proprio dal materiale principe che sottende a questa tecnologia rivoluzionaria. Il silicio, con le sue proprietà uniche, svolge un ruolo fondamentale nel consentire ai pannelli fotovoltaici di catturare e convertire l'energia solare in elettricità pulita e rinnovabile.

Questo processo di produzione non solo ha un impatto significativo sulla disponibilità e sull'accessibilità dell'energia solare, ma anche sull'economia globale e sull'ambiente. Con una domanda in continua crescita, il settore fotovoltaico sta rapidamente evolvendo, spingendo gli attori del mercato a innovare e adottare soluzioni sempre più efficienti ed economiche.

Inoltre, è importante sottolineare che l'adozione diffusa dell'energia solare è fondamentale per affrontare le sfide legate al cambiamento climatico e alla sicurezza energetica. L'energia solare non solo riduce le emissioni di gas serra, ma contribuisce anche a diversificare e decentralizzare le fonti di energia, riducendo la dipendenza da combustibili fossili e favorendo la resilienza delle reti elettriche.

Oltre alla produzione di energia, l'industria solare offre opportunità economiche significative, creando posti di lavoro e stimolando l'innovazione in settori correlati, come la ricerca e lo sviluppo di nuove tecnologie di stoccaggio dell'energia e di sistemi di gestione intelligente delle reti.

In conclusione, l'investimento nella produzione e nell'adozione di pannelli solari non solo favorisce la transizione verso un'economia a basse emissioni di carbonio, ma anche la creazione di un futuro più sostenibile e prospero per le generazioni presenti e future.

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Domande frequenti

Perché si utilizza il silicio nella produzione dei pannelli solari?

I produttori nel mercato fotovoltaico hanno sempre utilizzato il silicio nella realizzazione di pannelli fotovoltaici perché è il materiale più efficiente nel convertire la luce solare in elettricità - oltre ad essere il secondo elemento più diffuso sulla terra.

Che differenza c’è tra moduli monocristallini e policristallini?

I pannelli solari in silicio monocristallino rendono meglio a basse temperature e sono più efficienti e hanno piccole dimensioni più maneggevoli. I pannelli fotovoltaici in silicio policristallino, invece, producono di più ad alte temperature.