Tecnologia delle celle PERC: innovazione ed efficienza nel fotovoltaico

Nell’evoluzione continua del settore fotovoltaico, la tecnologia PERC rappresenta una svolta significativa che sta ridefinendo gli standard di efficienza energetica. Questa innovazione, oggi al centro dell’attenzione di tutti i principali produttori di moduli fotovoltaici, offre vantaggi straordinari sia in termini di prestazioni che di sostenibilità economica. Se state considerando l’installazione di impianti fotovoltaici o ombriere solari, comprendere questa tecnologia vi aiuterà a fare scelte più informate. Scopriamo insieme cosa sono le celle PERC, come funzionano e perché stanno rivoluzionando il mercato dell’energia solare.

Cosa significa PERC e come è nata questa tecnologia

PERC è l’acronimo di “Passivated Emitter and Rear Cell” (o, in alcune fonti, “Passivated Emitter and Rear Contact”). Letteralmente, significa cella con emettitore passivato e parte posteriore – una definizione tecnica che nasconde una rivoluzione nel modo in cui concepiamo le celle fotovoltaiche.

Contrariamente a quanto si potrebbe pensare, la tecnologia PERC non è una novità assoluta. I primi studi risalgono agli anni ’80, precisamente al 1983, quando ricercatori dell’Università del New South Wales in Australia ne svilupparono il concetto. Il primo documento scientifico ufficiale fu pubblicato nel 1989, e già allora i test mostravano livelli di rendimento impressionanti, intorno al 25%. Nonostante questi risultati promettenti, ci sono voluti quasi 30 anni prima che l’industria fotovoltaica riuscisse a implementare efficacemente questa tecnologia nella produzione di massa.

Questo ritardo nell’adozione non è stato dovuto a lacune tecnologiche, ma piuttosto alla necessità di trovare un equilibrio tra potenzialità tecniche e sostenibilità economica. Solo recentemente, con l’evoluzione dei processi produttivi e l’aumento della domanda di soluzioni ad alta efficienza, la tecnologia PERC ha trovato il suo posto nel mercato, diventando rapidamente uno standard di riferimento.

Come funzionano le celle PERC: un’architettura innovativa

Per comprendere l’innovazione delle celle PERC, dobbiamo prima richiamare la struttura delle celle fotovoltaiche tradizionali, rimasta sostanzialmente invariata per decenni. In una cella standard, partendo dalla superficie superiore verso il retro, troviamo:

1. Pasta d’argento serigrafata per formare i contatti
2. Rivestimento antiriflesso
3. Wafer di silicio diffusi con fosforo e drogati con boro che formano la giunzione P-N
4. Campo superficiale posteriore in alluminio (Al-BSF)
5. Pasta di alluminio serigrafata

La tecnologia PERC introduce una modifica fondamentale: l’aggiunta di uno strato passivante sulla superficie posteriore della cella. Questo strato, applicato attraverso processi di deposizione chimica o tecnologie di ossidazione, modifica radicalmente il comportamento della luce all’interno della cella.

Quando la luce solare colpisce una cella tradizionale, parte di essa attraversa il wafer di silicio senza essere assorbita, venendo persa nel contatto posteriore in alluminio. Nelle celle PERC, lo strato passivante posteriore agisce come uno specchio, riflettendo la luce non assorbita di nuovo verso il wafer. Questa riflessione interna consente ai fotoni di avere una “seconda possibilità” di generare elettroni, aumentando significativamente l’efficienza di conversione.

Inoltre, lo strato passivante riduce la ricombinazione degli elettroni nella regione posteriore, un fenomeno che normalmente diminuisce l’efficienza delle celle solari. Il risultato è una migliore cattura degli elettroni e, di conseguenza, una maggiore produzione di energia elettrica.

I vantaggi concreti delle celle PERC

L’implementazione della tecnologia PERC nelle celle fotovoltaiche porta numerosi vantaggi che la rendono particolarmente attraente sia per i produttori che per gli utenti finali:

1. Aumento dell’efficienza energetica – Con l’attuale tecnologia, le celle PERC possono raggiungere un incremento assoluto fino all’1% in termini di efficienza rispetto alle celle standard. Questo guadagno apparentemente modesto si traduce in una significativa riduzione dei costi a livello di sistema.
2. Migliori prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione – Le celle PERC mostrano un rendimento superiore in condizioni di luce diffusa o scarso irraggiamento. Questo significa che i pannelli mantengono livelli di produzione più elevati durante le prime ore del mattino, la sera, o nelle giornate nuvolose.
3. Miglior assorbimento delle lunghezze d’onda più lunghe – La luce rossa, con lunghezze d’onda più elevate, penetra più in profondità nella cella. Le proprietà riflettenti della tecnologia PERC assicurano un maggiore assorbimento di questa luce, anche in condizioni di illuminazione non ottimali.
4. Riduzione del surriscaldamento – Nelle celle standard, le lunghezze d’onda superiori a 1180 nm non vengono assorbite dal wafer di silicio ma dal contatto posteriore in alluminio, generando calore. Lo strato passivante delle celle PERC riflette questa luce, riducendo l’accumulo di calore e permettendo alla cella di operare a temperature più basse, con conseguente miglioramento dell’efficienza.
5. Durabilità e affidabilità – La riduzione della ricombinazione degli elettroni contribuisce a una maggiore durata e affidabilità del pannello fotovoltaico, con una minor degradazione nel tempo e una vita operativa più lunga.
6. Adattabilità produttiva – Un altro punto di forza della tecnologia PERC è la sua compatibilità con le linee di produzione esistenti. I produttori possono implementare questa tecnologia senza dover apportare modifiche significative alle loro infrastrutture, rendendo la transizione economicamente sostenibile.

Le sfide della tecnologia PERC

Come ogni innovazione, anche la tecnologia PERC presenta delle sfide che è importante conoscere:

1. Degradazione indotta dalla luce (LID) – Questo effetto causa una perdita di potenza del modulo dopo la prima esposizione alla luce. A causa dei livelli di drogaggio più elevati comunemente applicati nelle celle PERC, l’effetto LID è più pronunciato rispetto alle celle standard con Al-BSF. Questo spiega perché i produttori con garanzie lineari non garantiscono mai il 100% della potenza dopo il primo anno.
2. Degradazione indotta dal potenziale (PID) – Numerosi studi hanno evidenziato questo problema, particolarmente rilevante per le celle PERC policristalline. Il PID può danneggiare significativamente le prestazioni di un impianto. Per mitigare questo rischio, è fondamentale assicurarsi che i moduli fotovoltaici siano certificati secondo lo standard IEC TS 62804 per la resistenza al PID e che i produttori applichino rigorosi controlli nella selezione dei materiali e nei processi produttivi.

Nonostante queste sfide, i vantaggi offerti dalla tecnologia PERC superano ampiamente i potenziali inconvenienti, giustificando il suo rapido affermarsi come standard di riferimento nel settore.

Applicazioni della tecnologia PERC nelle ombriere fotovoltaiche

Le ombriere fotovoltaiche rappresentano una delle applicazioni più interessanti per i moduli con tecnologia PERC. Questi strutture multifunzionali, che offrono ombra e contemporaneamente producono energia pulita, beneficiano particolarmente delle caratteristiche avanzate delle celle PERC.

Nel contesto delle ombriere, l’efficienza superiore delle celle PERC permette di ottimizzare la produzione energetica in spazi limitati. Questo è particolarmente vantaggioso per parcheggi, aree di sosta o spazi ricreativi dove le ombriere vengono tipicamente installate. La maggiore produzione energetica per metro quadrato consente di ridurre il numero di pannelli necessari per raggiungere la potenza desiderata, con conseguente risparmio sui costi di installazione e manutenzione.

Inoltre, la migliore risposta delle celle PERC in condizioni di scarsa illuminazione o luce diffusa le rende ideali per ombriere installate in zone con condizioni di luce variabili o in regioni con frequenti giornate nuvolose. Questo assicura una produzione energetica più costante durante tutto l’anno.

Le ombriere fotovoltaiche equipaggiate con moduli PERC offrono anche vantaggi in termini di durabilità. La maggiore resistenza alle alte temperature riduce il rischio di degradazione precoce dei pannelli, particolarmente importante considerando che le ombriere sono costantemente esposte agli agenti atmosferici.

Applicazioni PERC nelle stazioni di ricarica per veicoli elettrici

Le stazioni di ricarica per veicoli elettrici rappresentano un’applicazione emergente e strategica per la tecnologia PERC. L’integrazione di pannelli solari con celle PERC in questi impianti offre vantaggi significativi in termini di efficienza energetica e sostenibilità ambientale.

I punti di ricarica per veicoli elettrici richiedono una fornitura elettrica costante e affidabile, e la tecnologia PERC si dimostra particolarmente adatta a questa esigenza. La capacità delle celle PERC di generare energia anche in condizioni di luce non ottimale – come durante le prime ore del mattino, la sera o in giornate nuvolose – garantisce una produzione energetica più continua e stabile.

Vantaggi specifici per le stazioni di ricarica includono:

1. Efficienza energetica ottimizzata: Le celle PERC permettono di generare più energia elettrica per metro quadrato, massimizzando la produzione in spazi limitati tipici delle aree di ricarica.
2. Prestazioni in diverse condizioni climatiche: La migliore risposta alle lunghezze d’onda luminose assicura una generazione energetica più costante, cruciale per mantenere operative le stazioni di ricarica.
3. Riduzione dei costi operativi: L’alta efficienza delle celle PERC consente di ridurre la dipendenza dalla rete elettrica tradizionale, abbattendo i costi di gestione delle stazioni di ricarica.
4. Sostenibilità ambientale: L’utilizzo di pannelli PERC in stazioni di ricarica elettrica chiude il ciclo della mobilità verde, producendo energia pulita per veicoli elettrici.

La combinazione con tecnologie complementari come celle half-cut o bifacciali può ulteriormente migliorare le prestazioni. Ad esempio, i moduli bifacciali PERC installati sopra superfici riflettenti come parcheggi possono aumentare la produzione energetica fino al 25%, offrendo un supporto ancora più efficace alla ricarica dei veicoli elettrici.

Inoltre, la durabilità e l’affidabilità delle celle PERC ne fanno una soluzione ideale per infrastrutture sottoposte a sollecitazioni continue come le stazioni di ricarica, garantendo una produzione energetica stabile nel tempo.

Tecnologie complementari: PERC, half-cut e bifacciali

La tecnologia PERC non opera in isolamento, ma può essere efficacemente combinata con altre innovazioni per massimizzare ulteriormente l’efficienza dei pannelli fotovoltaici.

Una delle combinazioni più promettenti è quella tra tecnologia PERC e celle half-cut. Questa configurazione prevede il taglio dei wafer di silicio in due parti uguali, creando celle di dimensioni ridotte. I vantaggi sono molteplici: minore perdita di potenza interna, maggiore resistenza all’ombreggiamento (poiché le due metà del modulo operano indipendentemente) e migliore tolleranza al calore. Per le ombriere fotovoltaiche, questa combinazione è particolarmente vantaggiosa in quanto massimizza la produzione energetica anche in caso di ombreggiamento parziale, situazione comune in aree con alberi o edifici nelle vicinanze.

Un’altra evoluzione interessante è rappresentata dalle celle bifacciali PERC. Questi moduli sono in grado di catturare la luce solare sia dalla parte frontale che da quella posteriore, aumentando significativamente la produzione energetica. Secondo alcuni produttori, come LONGI Solar, sfruttando questa tecnologia è possibile guadagnare tra il 10% e il 25% di energia prodotta a livello di sistema. Per le ombriere, l’utilizzo di moduli bifacciali PERC può risultare particolarmente efficace quando installati sopra superfici riflettenti, come parcheggi con pavimentazione chiara.

Il futuro delle celle PERC e l’evoluzione verso nuove tecnologie

Mentre la tecnologia PERC continua a dominare il mercato attuale, è importante guardare anche alle evoluzioni future. Le celle PERC stanno gradualmente raggiungendo i loro limiti fisici di efficienza, aprendo la strada a nuove tecnologie basate su materiali di tipo N (a carica negativa), in contrasto con il materiale di tipo P comunemente utilizzato nelle celle PERC e standard.

Tra le tecnologie emergenti troviamo:

1. TopCon (Tunnel Oxide Passivated Contact) – Utilizza uno strato di ossido di nano-tunnel e un film di silicio microcristallino per migliorare la passivazione e la conducibilità elettrica, con un potenziale di efficienza fino al 28,7%.
2. N-HJT (N-type Heterojunction Technology) – Combina i vantaggi del silicio cristallino e delle tecnologie a film sottile, offrendo eccellente assorbimento della luce e passivazione.
3. N-IBC (N-type Interdigitated Back Contact) – Posiziona tutti i contatti sul retro della cella, eliminando l’ombreggiamento frontale e massimizzando l’area disponibile per l’assorbimento della luce.

Queste tecnologie promettono efficienze ancora maggiori, coefficienti di temperatura più bassi e migliori prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione. Tuttavia, richiedono processi produttivi più complessi e costosi, limitando per ora la loro diffusione su larga scala.

Nel frattempo, la tecnologia PERC rimane la scelta ottimale per chi cerca un equilibrio tra prestazioni avanzate e costi sostenibili. La sua consolidata presenza nel mercato, unita alla continua ottimizzazione dei processi produttivi, la rende una soluzione affidabile e accessibile per ombriere fotovoltaiche e altri impianti solari.