In questi ultimi tempi, particolarmente in Europa, la problematica energetica è diventata un tema di forte attualità. Inverni lunghi e rigidi, a volte seguiti da estati con intensi utilizzi degli impianti di condizionamento, hanno messo in luce la criticità degli approvvigionamenti energetici, in particolare in alcuni paesi come l’Italia. Il dibattito su possibili nuove fonti energetiche ha ricevuto un nuovo impulso. Per paesi che godono di posizioni geografiche favorevoli, l’utilizzo di celle solari rappresenterebbe un’importante opportunità per l’introduzione di generatori di energia distribuiti sul territorio. Tuttavia la produzione di energia fotovoltaica è attualmente troppo costosa rispetto alle fonti tradizionali (petrolio, carbone e gas) e richiede incentivi per la sua diffusione. Ciò detto il settore registra comunque trend di crescita che vanno dal 30% al 40% annui: si tratta di cifre certamente significative.
La ricerca industriale e accademica è rivolta alla riduzione dei costi di produzione ottimizzando le tecniche di produzione, aumentando l’efficienza di conversione mediante nuovi tipi di celle solari, riducendo i materiali maggiormente utilizzati (silicio mono o multicristallino) o introducendone di nuovi (CdTe, CuInSe, polimeri).
Il fotovoltaico attualmente diffuso, infatti, utilizza lo stesso silicio impiegato con specifici adattamenti nell’industria elettronica. Ma si tratta di un approvvigionamento critico perché la materia prima di alta qualità non è prodotta a sufficienza. Non solo: i lingotti di silicio mono o multicristallino disponibili per il fotovoltaico devono essere tagliati in fette con procedimenti che portano a perdite di materiale elevate, fino al 40%.
Gli esperti ritengono che affinché il fotovoltaico possa diventare realmente una fonte importante di produzione di energia deve raggiungere alcuni punti ben definiti. L’efficienza deve superare il 15%, il materiale utilizzato deve essere economico, non tossico e disponibile in abbondanza. La tecnologia per costruire le celle deve permettere una produzione di massa a basso costo e il target è quello di raggiungere un costo inferiore a 1 Euro/watt.
Una possibilità a breve periodo per la riduzione di costi e per la disponibilità di materiale potrebbe essere data dalle celle solari a film sottile.
Va ricordato che le celle solari a film sottile hanno avuto un loro primo periodo di fortuna quando negli anni ’80 e ’90 la produzione di celle solari a base di silicio amorfo sembrava avere tutte le qualità per risolvere i problemi di costo di produzione. Tuttavia la loro diffusione è stata frenata dalla bassa efficienza ottenibile e dalla scarsa stabilità del materiale utilizzato, di qui la necessità attuale di esplorare nuovi materiali possibilmente sempre a base silicio, come ad esempio il silicio nano- o micro-cristallino.
La tecnologia alla base di questo articolo è stata messa a punto dai ricercatori della Dichroic Cell in collaborazione con l'Università degli Studi di Ferrara e Cnr-Infm. «Trasformare» un elemento fotovoltaico in un altro, per ottimizzare le sempre più rare e preziose materie prime disponibili, ma anche per snellire tempi e costi di produzione. Quello che fino a ieri era un ambizioso progetto scientifico, oggi è una realtà grazie alla rivoluzionaria tecnica messa a punto dalla Dichroic Cell in collaborazione con l'Università degli Studi di Ferrara e Cnr-Infm (Consiglio nazionale delle ricerche-Istituto nazionale per la Fisica della materia).
Gli elementi alla base delle celle fotovoltaiche sono Silicio, Arseniuro di Gallio (GaAs), Fosfuro di Indio e Gallio (InGaP), ma soprattutto Germanio (Ge). Tutti rari e costosi, soprattutto il Germanio.
Per aggirare questo ostacolo, la Dichroic Cell ha iniziato a sviluppare una metodologia del tutto innovativa, che mira a convertire un elemento costoso e raro come il Germanio in un altro elemento, il Silicio, più reperibile e meno dispendioso. Il procedimento si basa sull'utilizzo di un macchinario ultratecnologico, il reattore Lepecvd (Low Energy Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), che lavora come una sorta di forno in grado di depositare il Germanio sul Silicio e di consentire appunto la «trasformazione» di un elemento nell'altro.
In base alle previsioni formulate, attraverso questa sofisticatissima tecnologia, è possibile abbattere il costo del substrato delle celle fotovoltaiche di oltre il 60%. Una riduzione dei costi che diventa del 30% quando si prendono in esame le celle fotovoltaiche più costose, con substrato in puro Germanio.
Quella impiegata dal gruppo di ricercatori è una tecnologia davvero sofisticata, il cui sfruttamento commerciale ha preso avvio in ambito aerospaziale negli anni 90 per applicazioni esclusivamente orientate a tale settore.
La grande intuizione della Dichroic Cell e del gruppo di ricerca pubblico-privato è stata quella di trasferire dall'ambito aerospaziale a quello terrestre una metodologia altamente sofisticata e dai costi proibitivi, riuscendo a renderla applicabile ad un'economia per uso terrestre su scala industriale. Gli straordinari risultati di questa ricerca sono stati tenuti secretati fino ad oggi, e finalmente dallo scorso settembre Dichroic Cell ha iniziato a produrre e a vendere i primi Substrati Virtuali, risultato di una tecnologia che ha quindi disponibilità di materiali, costi ed efficienze per soddisfare sino al 10% del fabbisogno energetico nazionale.
«Coraggiosi imprenditori, soprattutto veneti, hanno investito negli studi e nella ricerca applicata dell'Università di Ferrara - spiega Federico Allamprese Manes Rossi, Amministratore Unico della Dichroic Cell S.r.l. -. I laboratori messi a disposizione da Cnr-Infm hanno portato alla realizzazione di una tecnologia strategica e all'avanguardia, valida non solo per il settore fotovoltaico, ma anche per quello aerospaziale e dell'automotive. La lungimiranza dello scorso e dell'attuale governo sta consentendo di portare all'industrializzazione questa iniziativa, patrimonio esclusivo della nostra nazione».
La tecnica, del tutto rivoluzionaria e messa a punto per la prima volta in Italia, consente realmente al team di scienziati di guidare l'innovazione tecnologica del fotovoltaico nel nostro Paese e nel Mondo.
Come afferma Patrizio Bianchi, economista industriale e Rettore dell'Università di Ferrara, «questa rivoluzionaria scoperta, messa a punto con la collaborazione del nostro Dipartimento di Fisica, conferma come la nostra sia davvero un'Università di ricerca e come, in questo ambito, svolgiamo una funzione di sperimentazione e traino dell'intero sistema nazionale. Abbiamo lavorato intensamente sulla ricaduta industriale della nostra ricerca e sulla creazione d'impresa».
Altra voce autorevole dell'Università di Ferrara è quella del prof. Giuliano Martinelli, Direttore del Dipartimento di Fisica e coordinatore scientifico del gruppo di ricercatori. «Ritengo - osserva il prof. Martinelli - che l'investimento fatto da Dichroic Cell in questa innovativa ricerca sia stato davvero lungimirante. Ora mi auguro che gli Enti di riferimento mostrino, non solo nelle proclamate intenzioni, ma anche nei fatti, la stessa lungimiranza. In primis, promuovendo l'accesso al "Conto energia" anche per i sistemi a concentrazione, ritenuti particolarmente idonei per la produzione di energia su larga scala. Questo potrebbe cancellare o limitare le perplessità di istituti finanziari e altri potenziali investitori, per ora restii a riversare le proprie risorse in una tecnologia che, non avendo accesso all'incentivo, di fatto soffre di carenza di mercato. Solo così i risultati della ricerca potranno rapidamente trasferirsi in una realtà industriale in grado di apportare un importante contributo al nostro fabbisogno energetico, fornendo un prodotto di alto valore commerciale per la nostra esportazione, in particolare nel bacino del Mediterraneo».
Attualmente, tra tutti i dispositivi fotovoltaici presenti sul mercato, le celle solari basate su composti con substrato in Germanio hanno mostrato la più alta efficienza di conversione. Celle solari multigiunzione basate su questi materiali hanno ormai raggiunto efficienze record di conversione di oltre il 39% , mentre nell'immediato futuro è prevedibile che vengano raggiunte efficienze superiori al 40%.
«Energie rinnovabili ed efficienti, oltre che alla portata di tutti: con questo obiettivo il Consiglio nazionale delle ricerche si cimenta da anni - tiene a sottolineare il Presidente del Cnr, prof. Luciano Maiani -. Ogni progresso in tal senso costituisce dunque un passo in avanti verso un traguardo tanto ambizioso quanto strategico per il Paese. La scoperta di una tecnica in grado di ottenere una maggiore efficienza delle celle fotovoltaiche, risparmiando sui materiali, rappresenta in tal senso un successo di cui i ricercatori del Cnr-Infm, in collaborazione con quelli dell'Università degli Studi di Ferrara e della Dichroic Cell, possono andare orgogliosi. In più, la sinergia tra impresa, Università ed Ente pubblico rimarca ancora una volta l'importanza strategica del dialogo tra pubblico e privato, per il benessere e la ricchezza dell'Italia. Oltre che per il progresso e il futuro della ricerca».
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