Cosa sono i pannelli solari a film sottile

1. Cosa sono i pannelli solari a film sottile?

A differenza delle celle solari di prima generazione realizzate in silicio mono o multicristallino, i pannelli solari a film sottile sono fabbricati utilizzando uno o più strati di elementi fotovoltaici su una superficie composta da una varietà di vetro, plastica o metallo per convertire luce solare in elettricità. E quelli più comunemente usati per la tecnologia solare a film sottile sono il tellururo di cadmio (CdTe), il seleniuro di rame indio gallio (CIGS), il silicio amorfo (a-Si) e l’arseniuro di gallio (GaAs).

2 La struttura dei pannelli solari a film sottile

I pannelli solari a film sottile sono costituiti da un gran numero di celle solari a film sottile e utilizzano l'energia luminosa (fotoni) del Sole per generare elettricità attraverso l'effetto fotovoltaico Comprende anche strati, backsheet e scatola di giunzione, che lavorano tutti insieme per garantire il normale funzionamento dei pannelli solari.

Cosa sono le celle solari a film sottile?

Le celle solari a film sottile sono dispositivi elettronici che convertono la luce solare in energia elettrica mediante l'effetto fotovoltaico. Le celle a film sottile tendono a utilizzare molto meno materiale: l'area attiva della cella è solitamente spessa solo da 1 a 10 micrometri. Inoltre, le celle a film sottile possono solitamente essere prodotte in un processo su vasta area, che può essere un processo di produzione automatizzato e continuo.

Inoltre, i pannelli solari a film sottile utilizzano un sottile strato di ossido conduttore trasparente, come l’ossido di stagno, per funzionare. Mentre le celle a film sottile sono costituite da tanti minuscoli granelli cristallini di materiali semiconduttori per creare meglio il campo elettrico con un'interfaccia, chiamata eterogiunzione. Generalmente questo tipo di dispositivi a film sottile può essere realizzato come una singola unità, ovvero monoliticamente, con la deposizione sequenziale di strati su strati su un substrato, inclusa la deposizione di un rivestimento antiriflesso e di un ossido conduttore trasparente.

Cosa sono i livelli?

Solitamente il pannello solare a film sottile ha uno strato molto sottile (meno di 0,1 micron) sulla parte superiore chiamato strato "finestra" per assorbire l'energia luminosa solo dall'estremità ad alta energia dello spettro. Deve essere sufficientemente sottile e avere una banda proibita sufficientemente ampia (2,8 eV o più) da consentire a tutta la luce disponibile di passare attraverso l'interfaccia (eterogiunzione) fino allo strato assorbente. Lo strato assorbente sotto la finestra, solitamente drogato di tipo p, è dotato di un'elevata assorbenza (capacità di assorbire fotoni) per correnti elevate e di un'adeguata banda proibita per fornire una buona tensione.

Cos'è il backsheet?

Essendo un polimero o una combinazione di polimeri con vari additivi, il backsheet è progettato per fornire una barriera tra le celle solari e l'ambiente esterno. Da ciò possiamo vedere che il backsheet è un componente fondamentale per la durata, l'efficienza e la longevità di un pannello solare.

Cos'è la scatola di giunzione?

In quanto armadio elettrico utilizzato per alloggiare e proteggere i collegamenti elettrici, la scatola di giunzione è appositamente progettata per fornire un ambiente sicuro e protetto per i collegamenti elettrici in modo da impedire il contatto accidentale con cavi sotto tensione e per semplificare future manutenzioni o riparazioni. Di solito una scatola di giunzione fotovoltaica è fissata sul retro del pannello solare e funziona come interfaccia di uscita. Le connessioni esterne per la maggior parte dei moduli fotovoltaici utilizzano connettori MC4 per facilitare i collegamenti resistenti alle intemperie al resto del sistema. È possibile utilizzare anche un'interfaccia di alimentazione USB.

3 La storia dello sviluppo dei pannelli solari a film sottile

La storia dei pannelli solari a film sottile risale agli anni '70, quando i ricercatori iniziarono le prime esplorazioni sull'uso del film sottile (a-Si) di semiconduttori per sfruttare l'energia solare, a quel tempo l'interesse per la tecnologia a film sottile per uso commerciale e le applicazioni aerospaziali promuovono lo sviluppo di dispositivi solari a film sottile in silicio amorfo.

Negli anni ’80, i progressi tecnologici hanno facilitato l’espansione dei materiali a film sottile esistenti in nuovi, come il tellururo di cadmio (CdTe) e il seleniuro di rame indio gallio (CIGS), che hanno efficienze di conversione più elevate e costi di produzione inferiori.

Gli anni ’90 e 2000 sono stati un periodo di progressi significativi nell’esplorazione di nuovi materiali solari di terza generazione, materiali con il potenziale di superare i limiti teorici di efficienza per i tradizionali materiali a stato solido. Sono stati sviluppati nuovi prodotti come celle solari sensibilizzate con coloranti e celle solari a punti quantici.

Negli anni 2010 e all’inizio degli anni 2020, l’innovazione nella tecnologia solare a film sottile ha incluso sforzi per espandere la tecnologia solare di terza generazione a nuove applicazioni e per ridurre i costi di produzione. Nel 2004, il National Renewable Energy Laboratory (NREL) ha raggiunto un'efficienza record mondiale del 19,9% per un modulo CIGS a film sottile. Nel 2022, le celle solari organiche flessibili a film sottile sono state integrate nel tessuto.

Al giorno d'oggi, le celle solari organiche flessibili a film sottile integrate nelle costruzioni le rendono una scelta migliore rispetto ai tradizionali pannelli in silicio. E la tecnologia a film sottile ha catturato circa il 19% del totale degli Stati Uniti. quota di mercato nello stesso anno, compreso il 30% della produzione su scala industriale.

4.I tipi di pannelli solari

Esistono diversi tipi di materiali utilizzati per produrre celle solari a film sottile, in base alle loro materie prime, possono essere suddivisi in quattro tipi 

l I pannelli a film sottile al tellururo di cadmio (CdTe) sono un tipo di pannello solare che utilizza un sottile strato di tellururo di cadmio depositato su un materiale di substrato, come vetro o acciaio inossidabile, come materiale semiconduttore. Non solo sono leggeri e facili da installare, ma hanno anche un'elevata produzione di energia in condizioni di scarsa illuminazione, il che significa che possono generare elettricità anche con tempo nuvoloso o coperto. Si stima che i pannelli solari a film sottile CdTe abbiano raggiunto un'efficienza del 19% in condizioni di test standard (STC), ma le singole celle solari hanno raggiunto un'efficienza del 22,1%. Tuttavia, ci sono alcune preoccupazioni sulla tossicità del cadmio, poiché è un metallo pesante che può causare danni ambientali se non smaltito correttamente.

l I pannelli a film sottile in seleniuro di rame indio gallio (CIGS) sono prodotti posizionando uno strato di elettrodo di molibdeno (Mo) sul substrato attraverso un processo di sputtering Rispetto ad altre tecnologie fotovoltaiche hanno un rendimento elevato e in futuro possono raggiungere un rendimento teorico del 33%. Inoltre, sono meno soggetti a crepe o rotture e sono facili da usare. Tuttavia, nonostante questi vantaggi, il costo è relativamente più elevato rispetto ad altre tecnologie, il che potrebbe ostacolarne l’ulteriore sviluppo.

l I pannelli a film sottile in silicio amorfo (a-Si) sono prodotti mediante la lavorazione di lastre di vetro o substrati flessibili, insieme a una configurazione p-i-n o n-i-p. I vantaggi dei pannelli a-Si a film sottile includono la flessibilità e la struttura leggera, che li rendono ideali per l'uso in applicazioni portatili, come il campeggio o l'alimentazione di sensori remoti. Tuttavia, poiché il vetro conduttivo per questi pannelli è costoso e il processo è lento, il suo prezzo è relativamente elevato, pari a circa 0,69 dollari/W.

l I pannelli a film sottile in arseniuro di gallio (GaAs) sono più complessi rispetto alle normali celle solari a film sottile del processo di produzione. Vale la pena ricordare che raggiungono rendimenti elevati fino al 39,2% e sono più resistenti al calore e all'umidità. Tuttavia, i tempi di produzione, i costi dei materiali e i materiali ad alta crescita lo rendono una scelta meno praticabile.

5.Le applicazioni dei pannelli solari a film sottile

Essendo una classe emergente di alternative al fotovoltaico al silicio, i pannelli solari a film sottile vengono utilizzati principalmente nei seguenti campi.

l Fotovoltaico integrato negli edifici (BIPV)

Poiché i pannelli fotovoltaici a film sottile possono essere fino al 90% più leggeri dei pannelli in silicio, un'applicazione che sta iniziando a diventare molto popolare in tutto il mondo è il BIPV, in cui i pannelli solari sono fissati alle tegole, alle finestre, alle strutture deboli e così via. Inoltre,  alcuni tipi di fotovoltaico a film sottile possono essere resi semitrasparenti, il che aiuta a mantenere l'estetica di case ed edifici consentendo al tempo stesso la possibilità di generazione di energia solare.

l Applicazioni spaziali

Grazie ai vantaggi di leggerezza, alta efficienza, ampio intervallo di temperature di funzionamento e persino resistenza ai danni causati dalle radiazioni, i pannelli solari a film sottile, in particolare i pannelli solari CIGS e GaAs, sono ideali per le applicazioni spaziali.

l Veicoli e applicazioni marine

Un'applicazione comune dei pannelli solari a film sottile è l'installazione di moduli fotovoltaici flessibili sui tetti dei veicoli (in particolare camper o autobus) e sui ponti di barche e altre imbarcazioni, che possono essere utilizzati per alimentare elettricità mantenendo allo stesso tempo l'estetica.

l Applicazioni portatili

La sua portabilità e le sue dimensioni gli hanno consentito uno sviluppo sostenibile nel settore della piccola elettronica autoalimentata e dell’Internet delle cose (IoT), che si prevede crescerà sostanzialmente nei prossimi anni. E con il suo progresso, potrebbe essere ulteriormente applicato in località remote con pannelli solari pieghevoli, banchi di energia solare, laptop alimentati a energia solare e così via.

6.Le tendenze di sviluppo dei pannelli solari a film sottile

Con la crescente accettazione dell’energia solare in tutto il mondo, l’implementazione di rigide restrizioni energetiche e i crescenti sforzi del governo per integrare le fonti verdi nella rete, si prevede che i pannelli solari a film sottile raggiungeranno circa 27,11 miliardi di dollari entro il 2030 con un notevole CAGR dell’8,29% rispetto a dal 2022 al 2030 L’aumento è guidato dai suoi vantaggi e da R&D, poiché sono estremamente economici e facili da creare, utilizzano meno materiale e producono meno rifiuti. E l'R&D per migliorare la resistenza e le prestazioni delle celle solari creerà anche nuove opportunità di crescita del mercato.

Tuttavia, le opportunità si uniscono alle sfide. Gli elevati livelli di concorrenza, un contesto normativo in evoluzione nonché la disponibilità di risorse e finanziamenti scarsi fanno sì che attualmente essi potrebbero non essere in grado di conquistare una quota considerevole della quota di mercato globale.

7 L'analisi degli investimenti dei pannelli solari a film sottile

Il mercato delle celle solari a film sottile sembra svilupparsi negli ultimi anni, spinto da diversi fattori.

l Analisi del tipo di prodotto

Nel 2018, CdTe ha prodotto elettricità a un prezzo significativamente inferiore o pari a quello delle fonti energetiche convenzionali basate su combustibili fossili. A causa dei suoi costi operativi e di produzione non tossici ed economici, attualmente la categoria del tellururo di cadmio domina il mercato mondiale delle celle solari a film sottile e si prevede che continuerà a crescere al ritmo più rapido durante tutto il periodo di previsione.

l Analisi dell'utente finale

Il crescente sviluppo e la ricerca per ridurre i costi di installazione e manutenzione possono aumentare le esigenze dei consumatori. Nel 2022, il mercato dei servizi di pubblica utilità ha dominato il mercato mondiale delle celle solari a film sottile e si prevede che continuerà a svilupparsi al ritmo più rapido durante tutto il periodo di previsione. . Poiché i pannelli solari a film sottile si degradano a un ritmo molto più lento, offrono una potenziale alternativa ai tradizionali pannelli solari c-Si.

l Analisi regionale

L’Asia-Pacifico era la regione più grande al mondo per quanto riguarda le celle solari a film sottile nel 2022 e si prevede che continuerà ad espandersi al ritmo più elevato, guidato da molti fattori. Ad esempio, essendo il più grande mercato solare fotovoltaico al mondo, la Cina alzerà l’obiettivo per le energie rinnovabili dal 20% al 35% entro il 2030. E gli impianti solari fotovoltaici su larga scala in Cina utilizzano principalmente la tecnologia a film sottile. Inoltre, il Giappone ha anche dichiarato la propria intenzione di utilizzare solo energia sostenibile in futuro.

8 Cose da considerare per i pannelli solari a film sottile di alta qualità

Quando si acquistano pannelli solari, non bisogna considerare solo il prezzo e la qualità, ma si dovrebbero tenere presenti anche altri fattori.

l Efficienza: L'alta efficienza può convertire una maggiore quantità di energia solare in elettricità. Generalmente avere una maggiore concentrazione di portatori di carica può aumentare l'efficienza della cella solare aumentando la conduttività. L'aggiunta di un concentratore a una cella solare non solo aiuta ad aumentare l'efficienza, ma può anche ridurre lo spazio, i materiali e i costi necessari per produrre la cella.

l Durata e durata: Alcuni moduli a film sottile presentano anche problemi di degrado in varie condizioni. Tra tutti i materiali, il CdTe mostra la migliore resistenza al degrado delle prestazioni con la temperatura. E a differenza di altri materiali a film sottile, il CdTe tende ad essere abbastanza resistente alle condizioni ambientali come la temperatura e l'umidità, ma i pannelli CdTe flessibili possono subire un degrado delle prestazioni in caso di sollecitazioni o tensioni applicate.

lPeso: Si riferisce alla densità del pannello solare a film sottile. In generale, i pannelli solari a film sottile hanno un peso leggero, quindi non dovresti aver paura di applicare un peso morto sul tetto. Tuttavia, è necessario considerare il peso quando si selezionano quelli in modo da garantire che non venga sovraccaricato per l'installazione.

lTemperatura: Ciò significa la temperatura minima e massima alla quale il pannello solare a film sottile può funzionare. In generale si ritiene che tutti i migliori pannelli solari a film sottile abbiano una temperatura minima di -40°C e una temperatura massima di 80°C.