Un modulo fotovoltaico in silicio cristallino, flessibile e completamente privo di vetro, realizzato attraverso un processo compatibile con la produzione roll-to-roll. È il risultato di una ricerca italiana condotta dall’Università di Padova e dall’Istituto dei Materiali per l’Elettronica e il Magnetismo del CNR (CNR-IMEM).
La soluzione combina celle fotovoltaiche commerciali IBC con una struttura multistrato basata su PET ed EVA. Nei test, un mini-modulo composto da quattro celle ha conservato il 96,12% dell’efficienza iniziale dopo 672 ore all’aperto, mantenuto su una superficie curva con raggio di 150 mm.
Silicio cristallino senza il tradizionale vetro
Uno degli aspetti più interessanti della ricerca riguarda la scelta di mantenere una tecnologia fotovoltaica consolidata come il silicio cristallino, modificando invece profondamente l’architettura del modulo.
I ricercatori hanno utilizzato celle IBC (Interdigitated Back Contact) commerciali dello spessore di 150 μm, inserite in una struttura PET/EVA/c-Si/EVA/PET. Il vetro normalmente presente nei moduli convenzionali viene quindi sostituito da strati polimerici.
Il PET esterno svolge una funzione di protezione meccanica delle celle, particolarmente importante considerando la fragilità del silicio quando viene sottoposto a flessioni, vibrazioni e variazioni di temperatura. L’eliminazione del vetro consente inoltre di ridurre sensibilmente il peso del modulo.
La tecnologia non nasce da zero: il primo brevetto risale al 2020 ed è stato depositato dal CNR-IMEM di Parma. Lo sviluppo è proseguito negli anni, affiancato dalle attività di caratterizzazione condotte presso il Dipartimento di Ingegneria dell’Università di Padova.
Produzione roll-to-roll per aumentare la scalabilità
Un altro elemento centrale è il processo produttivo. I ricercatori hanno sperimentato una laminazione a caldo roll-to-roll in atmosfera e a singolo passaggio, utilizzando un laminatore commerciale con rulli riscaldati.
Nel processo di riferimento sono stati utilizzati una temperatura dei rulli di 130 °C, una velocità di avanzamento di 9 mm/s e una distanza tra i rulli di 2 mm. La temperatura impiegata per la saldatura era invece di 390 °C.
L’interesse per il roll-to-roll deriva soprattutto dalle prospettive industriali. La lavorazione continua dei materiali può infatti offrire una strada verso produzioni ad elevata automazione e potenzialmente caratterizzate da investimenti produttivi più contenuti rispetto ad architetture più complesse.
Il gruppo di ricerca punta quindi a combinare la maturità industriale delle celle in silicio cristallino con un’architettura più leggera e flessibile e un processo produttivo scalabile.
I test sulla flessibilità
Per valutare il comportamento della tecnologia sono state analizzate celle non laminate, mini-moduli costituiti da una singola cella e configurazioni 2 x 2 con quattro celle collegate in serie.
I dispositivi sono stati sottoposti a misure corrente-tensione, efficienza quantica esterna, riflettanza, elettroluminescenza e termografia a infrarossi. Particolare attenzione è stata dedicata alla formazione di microfratture e al rischio di hot spot.
Il modulo a cella singola è stato piegato fino a raggiungere un raggio di curvatura di 95,4 mm, corrispondente a una deformazione meccanica dello 0,2%, senza evidenziare la formazione di incrinature. La riduzione dell’efficienza, pari a circa il 3,4%, è stata attribuita principalmente alla distribuzione non uniforme della luce durante la prova.
Nel caso del mini-modulo 2 x 2, con un raggio di curvatura di 155 mm, è stato mantenuto il 93% della potenza erogata rispetto alla configurazione piatta.
Dopo 672 ore resta il 96,12% dell’efficienza
Uno dei risultati più significativi riguarda la prova prolungata all’aperto.
Un modulo 2 x 2 è stato installato su un supporto con raggio di curvatura fisso di 150 mm e mantenuto in condizioni di corto circuito continuo per 672 ore. Al termine della sperimentazione il dispositivo conservava il 96,12% della propria efficienza iniziale.
Le prove hanno permesso ai ricercatori di individuare anche alcuni parametri progettuali per le applicazioni future. Tra questi figura un raggio di curvatura raccomandato superiore a 200 mm, insieme alla necessità di gestire correttamente incollaggio e comportamento termico del modulo.
I test hanno inoltre mostrato una perdita relativa di efficienza di circa il 4,4% dopo la laminazione. Secondo le analisi effettuate, il fenomeno sarebbe prevalentemente di natura ottica e riconducibile alla riflessione sulla superficie anteriore, piuttosto che a danni elettricamente attivi alle celle provocati dalla lavorazione.
Possibili applicazioni nel fotovoltaico integrato
La possibilità di ottenere moduli in silicio cristallino più leggeri e capaci di adattarsi a superfici non perfettamente piane apre prospettive soprattutto nel fotovoltaico integrato negli edifici (BIPV) e, più in generale, nelle applicazioni nelle quali peso e geometria rendono difficile l’impiego dei tradizionali pannelli rigidi in vetro.
Prima di un’eventuale applicazione commerciale su larga scala restano però diversi aspetti da approfondire.
Il programma di ricerca prevede test di affidabilità di maggiore durata, prove con cicli termici e piegature ripetute e sperimentazioni all’aperto su differenti geometrie curve. Il gruppo punta inoltre a introdurre rivestimenti antiriflesso per ridurre le perdite ottiche e a sostituire la saldatura tradizionale a filo con una pasta saldante integrabile nel processo di laminazione.
I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Solar Energy nello studio Roll-to-roll flexible back-contacted c-Si PV modules: performance analysis and impact of mechanical and thermal stress.
La ricerca è interessante soprattutto perché affronta uno dei limiti dei moduli fotovoltaici tradizionali senza abbandonare il silicio cristallino: ridurre peso e rigidità intervenendo sull’architettura e sul processo di fabbricazione, anziché sostituire completamente la tecnologia delle celle.
