Individuare i moduli fotovoltaici difettosi grazie all'impiego di una telecamera a raggi infrarossi

Le celle solari trasformano la luce solare in energia, ma questo processo genera anche calore. Le celle poco efficienti producono molto più calore, pertanto appaiono chiaramente come un punto caldo nell'immagine termica. Le cause di una scarsa efficienza in un pannello solare sono diverse: da impurità nel materiale semiconduttore dovute ad un difetto di fabbricazione, a celle rotte, vetro rotto, infiltrazione di acqua, punti di saldatura interrotti, file di celle consumate, diodi di bypass difettosi, delaminazione del materiale semiconduttore o connettori difettosi, tanto per nominare alcune possibili cause. Qualunque sia la causa, una termocamera aiuterà l'operatore a trovarne la posizione e svolgerà un ruolo importante per individuare la natura del problema del pannello solare. Le termocamere oggi disponibili sul mercato hanno raggiunto una notevole facilità d'uso, garantita dall'ergonomia e dal peso ridotto. Per lo più sono dotate di un detector microbolometrico non raffreddato, che genera nitide immagini termiche e, oltretutto, sono in grado di misurare accuratamente temperature che vanno da -20°C a +650°C con una sensibilità termica inferiore a 50 mK. Utilizzando la camera a raggi infrarossi è molto più agevole individuare i piccoli dettagli. É comoda anche perché consente, ad esempio, di camminare lungo un'intera fila di pannelli e di individuare immediatamente se c'è qualcosa che non va. A causa della differenza di produzione tra celle in ombra e al sole, l'intera efficienza di un modulo diminuisce. Questo può persino causare danni al prodotto. Ma poiché l'ombra determina un incremento di temperatura in una specifica cella, è possibile individuare molto facilmente il punto del problema con una termocamera. Lo stesso accade per una cella difettosa: se produce meno elettricità delle altre abitualmente produce anche più calore. Le cause che determinano inefficienze nelle celle sono spesso legate alla non uniformità del materiale semiconduttore utilizzato, che nella maggior parte dei moduli è il silicio. I wafer di silicio multicristallino impiegati nella maggior parte dei prodotti sviluppano con una certa frequenza queste disomogeneità, riducendo l'efficienza di tutto il modulo. La conversione della corrente continua in alternata richiede un certo quantitativo di corrente elettrica, e se le celle inefficienti riducono la prestazione del modulo sotto questa soglia critica l'intero prodotto può diventare inutilizzabile. Ci sono anche altre cause che compromettono l'efficienza di singole celle, dalla rottura dello strato di silicio a quella del vetro di protezione, dalle infiltrazioni d'acqua all'interruzione di punti di saldatura. Le cause possono essere anche sottostringhe difettose, diodi di bypass malfunzionanti o ancora la delaminazione dello strato di silicio o connettori guasti, soltanto per elencarne alcuni. La termocamera a raggi infrarossi consente di individuare praticamente tutti questi difetti e può essere utilizzata per altri scopi al di là della semplice ispezione ai moduli fotovoltaici.

Energie rinnovabili e non solo, allo studio diversi progetti innovativi

La Stanford University ha riconosciuto 8,4 milioni di dollari a sette gruppi di ricerca che svilupperanno altrettanti progetti tesi a ridurre le emissioni di gas serra nel mondo. Si lavorerà, ad esempio, al miglioramento dell'efficienza delle celle fotovoltaiche attraverso un elettrodo capace di elevare lo stato energetico dei fotoni. Focus puntato anche sulla tecnologia che pulisce il processo di combustione del gasolio evitando la creazione di fuliggine, sul sistema per ricavare idrogeno combustibile dal glucosio contenuto nelle piante e sulla creazione di batterie di lunga vita destinate alla rete elettrica. In ambito microcellulare si cercherà di ricavare metano da batteri e altri microbi. Sul fronte dei nuovi materiali, sono allo studio nanosoluzioni capaci di convertire il calore in elettricità. Infine, sono nel mirino celle fotovoltaiche a base di carbonio. adatte a catturare l'intero spettro solare, dalla luce visibile al vicino infrarosso.

L'energia solare debole si rafforza con il virus M13

L'energia solare diventa virale. I ricercatori del Massachussetts Institute of Technology hanno trovato un modo per aumentare di un terzo l'efficienza di conversione elettrica nelle celle solari, servendosi dell'innesto di un virus geneticamente modificato, chiamato M13: su nanotubi di carbonio.  I microscopici cilindri di carbonio puro sono semiconduttori eccellenti, e il loro utilizzo renderebbe più leggere le celle fotovoltaiche realizzate in silicio. Il problema è che questi semiconduttori  tendono ad ammassarsi tra di loro. La ricerca del Mit ha invece dimostrato come le colonie di virus M13 riescano a tenere ben separati tra loro nanotubi di carbonio e favorire, quindi, gli scambi di elettroni che si liberano con la luce del Sole. Inoltre il virus è stato progettato per produrre un rivestimento di biossido di titanio su ciascuno dei nanotubi, portando così l'efficienza elettrica dall'attuale 8% fino al 10,3%.

La fisica plasmonica al servizio del fotovoltaico

La fisica plasmonica è una branca della fisica che studia l'interazione tra luce e metallo e dalle cui applicazioni si potrebbero avere importanti sviluppi per il fotovoltaico tanto che, anche nel Consiglio Nazionale delle Ricerche di Bari, il professor Giovanni Bruno sta portando avanti un progetto europeo con l'obiettivo di sviluppare il fotovoltaico plasmonico, in grado di fare a meno del costoso silicio. Tuttavia è il professor Mike McGehee, dell'Università Californiana di Stanford, ad aver pubblicato un articolo che illustra i risultati di un esperimento interessante: una struttura fotovoltaica a forma di scatola per uova le cui celle solari, estremamente sottili (nell'ordine dei millesimi di micron) e a base organica (senza silicio) hanno aumentato del 15% l'efficienza rispetto ad altre celle solari analoghe, anch'esse trattate con tinture organiche fotosensibili. In questo caso, infatti, i rilievi particolari delle celle, realizzati secondo i criteri della fisica plasmonica, hanno acuito la potenza dei raggi solari aumentandone l'efficienza.

Celle fotovoltaiche antiriflesso

Celle fotovoltaiche con un'efficienza di conversione della luce solare superiore fino al 6% rispetto a quelle esistenti. Arrivano dal Giappone: sono state messe a punto da un gruppo di ricercatori giapponesi che per realizzarle si è ispirato alla struttura degli occhi delle falene. I ricercatori giapponesi della Nagaoka University of Technology di Niigata hanno compreso che in questa struttura c'era il segreto per ridurre la dispersione dovuta al riflesso della luce e, dunque, per assorbirne una quantità maggiore. Le pupille delle falene sono infatti rivestite da una membrana antiriflesso che le aiuta a nascondersi dai predatori, poiché consente di respingere la luce e renderle invisibili nel buio. I ricercatori della Nagaoka University of Technology hanno così realizzato un rivestimento per moduli fotovoltaici che ne imita la struttura e successivamente li hanno testati in due città: Phoenix (Usa) e Tokyo (Giappone). Risultato: l'incremento di efficienza è notevole a entrambe le latitudini dove sono stati svolti gli esperimenti. Nella città americana, dove i raggi solari sono diretti -  fa infatti parte della zona definita "Sunbelt" - , l'incremento è stato del 6%; a Tokyo, dove il grado di dispersione della luce è più elevato, del 5%.

Mini celle fotovoltaiche glitter

I ricercatori della Sandia National Laboratories hanno realizzato un sistema di celle fotovoltaiche piccole come brillantini, e dunque chiamate subito "cellule glitter", che potrebbero trasformare una persona in una sorta di caricabatteria solare, se questi brillantini venissero applicati sul suo abbigliamento. Queste cellule hanno un diametro che spazia dai 14 ai 20 micrometri (dieci volte più piccole di quelle tradizionali) ma garantiscono la stessa efficienza e, soprattutto, una maggiore versatilità di utilizzo. Tanto che nei laboratori del Sandia si sta pensando alla loro applicazione nell'abbigliamento. L'industria militare americana vi ha già fatto un pensierino (immaginando un soldato che, semplicemente stando al Sole, ricarichi anche ogni dispositivo di comunicazione presente in zona). Ma anche altre realtà meno belligeranti, come marchi di abbigliamento sportivo, hanno avuto la visione di escursionisti dotati di "tende solari" e di abbigliamento simile. E la ricerca recentemente pubblicata da ScienceDaily permette a tutti di essere ottimisti, perché, avendo un diametro così sottile, queste cellule glitter possono essere fabbricate, con meno costi, su scala industriale, e prodotte con wafer di qualsiasi dimensione: ogni cellula, infatti, verrebbe applicata su wafer di silicio per poi essere composta in forme esagonali con circuiti elettrici stampati su ogni pezzo. E in questo modo, fra l'altro, se una cella risultasse difettosa, potrebbe essere isolata dal resto dell'applicazione.

Com'è fatto un modulo fotovoltaico?

Il modulo fotovoltaico è il singolo pannello che compone un campo fotovoltaico. Può essere di tipo classico, ossia composto da un insieme di celle fotovoltaiche in silicio interconnesse elettricamente fra loro, o a film sottile in cui il semiconduttore, solitamente silicio amorfo, è spalmato su supporti che possono essere sia rigidi sia flessibili.

L'insieme degli strati che compongono il modulo fotovoltaico è detto sandwich. Il cuore del modulo di tipo classico è composto da fragili celle di silicio in forma cristallina, un semiconduttore che, se colpito da una fonte elettromagnetica, rilascia elettricità; più precisamente, i fotoni provenienti dal Sole forniscono l'energia sufficiente a permettere il rilascio di elettroni: è l'effetto fotovoltaico, osservato da Becquerel già nel 1839. Sulle celle sono chiaramente visibili i conduttori elettrici, saldati direttamente sui wafer, ossia le sottilissime fette di silicio.

Gli elettroni vengono raccolti nei conduttori posti sopra le celle e, grazie alla particolare struttura P-N delle celle di silicio (silicio drogato *), convogliati verso il basso, cosicché la corrente elettrica di tipo continuo generata da questo processo può essere facilmente riversata nel circuito elettrico. Le celle sono unite fra loro tramite strisce di metallo conduttore e assemblate fra due strati di acetato di vinile (EVA) su un apposito sostegno in materiale isolante e termico come il Tedlar, un polimero brevettato dalla DuPont.

E' fondamentale che il materiale utilizzato come supporto non sia soggetto alla dilatazione termica, poiché i moduli fotovoltaici tendono a surriscaldarsi. Per lo stesso motivo, all'interno del modulo possono essere inseriti dei diodi semiconduttori che evitano l'eccessivo calore. Analogamente, al momento della costruzione dell'impianto fotovoltaico, è opportuno prevedere una corretta aerazione del retro dei pannelli ed evitarne l'installazione sui cosiddetti "tetti caldi" tipici delle coperture piane.

L'ultimo strato del sandwich, quello che sarà direttamente esposto all'irraggiamento solare, è composto da un vetro protettivo stratificato antiintemperie (soprattutto grandine e neve) con trattamento antiriflesso dal lato che va a contatto con le celle, al fine di ottenere il più elevato assorbimento possibile di fotoni da parte del silicio. L'intero processo di assemblaggio viene effettuato in un ambiente privo di polvere, residui e umidità, e lo stesso sandwich viene poi sigillato ermeticamente in una cornice di alluminio: da esso sporgeranno soltanto i due connettori positivo e negativo, per il collegamento ad altri moduli in serie o in parallelo, e infine all'impianto elettrico che trasporterà la corrente continua all'inverter per la trasformazione in corrente alternata.

*NOTE: Il silicio.

Il silicio monocristallino ha il rendimento più elevato, è caratterizzato da una disposizione monodirezionale a formare un unico cristallo durante il processo di fusione per la produzione del wafer (ossia la cella priva di giunzioni elettriche), è di colore nero o nero bluastro uniforme ed è il più difficile e costoso da produrre. 

Il silicio policristallino è di colore blu/azzurro ed ha il caratteristico aspetto sfaccettato poiché è composto da più cristalli disposti in modo irregolare. Ha un rendimento inferiore rispetto al monocristallino ma ha le stesse caratteristiche di degrado e resistenza nel tempo.

Il silicio amorfo, grazie all'ausilio di gas tecnici, può essere depositato in strati sottili pochi micron su una grande varietà di superfici, e può derivare dagli scarti dell'industria elettronica.

Esistono altri composti che si comportano in modo analogo al silicio amorfo, parliamo, ad esempio, del telloruro di cadmio e dell'arseniuro di gallio. I moduli a film sottile in silicio amorfo o in altri componenti, pur avendo un rendimento inferiore in media del 40% rispetto al silicio cristallino, oltre che un maggior degrado iniziale nelle prime 300/400 ore di utilizzo, trovano largo impiego, per esempio, in caso di interventi architettonici particolari.

Al fine di aumentarne la conducibilità, il silicio che compone le celle viene sottoposto a drogaggio. Tramite questo processo assume la struttura detta P-N: si tratta di una lavorazione che viene effettuata a temperature elevatissime (dai 400° C ai 1000° C) grazie all'utilizzo di gas inerti che depositano ioni negativi e positivi. La parte superiore della cella è trattata con molecole debolmente negative (di solito fosforo o arsenico) che rilasciano elettroni mentre, la parte inferiore, viene trattata con molecole debolmente positive (in genere boro) che assorbono elettroni; questa differenza elettrica porta gli elettroni liberati dal silicio in superficie (grazie ai fotoni) al movimento verso il basso, e quindi aumenta il flusso di energia elettrica continua e la sua conseguente produzione ai fini pratici.

Pannelli solari: allo studio un polimero capace di sostituire l'ITO

Ad oggi, il 90% dei pannelli solari è realizzato in silicio. Come chiunque ben sa, la maggior parte di essi ha dimensioni non certo tascabili; inoltre, il processo di costruzione è ancora costoso e, per concludere, l'energia elettrica che viene generata all'interno delle celle fotovoltaiche è raccolta da un conduttore costruito in ossido di indio e stagno (ITO), che contribuisce non da poco sul prezzo finale. Logica, dunque, l'attenzione con la quale le aziende di tutto il mondo seguono i risultati dei numerosi lavori di ricerca compiuti da Enti privati e Università internazionali, che hanno come obiettivo la ricerca e lo sviluppo di nuovi materiali e tecnologie per la realizzazione di celle solari, con un costo nettamente inferiore all'attuale. La professoressa Yueh Lin Loo guida, all'Università di Princeton, un numeroso gruppo di ingegneri e ricercatori chimici, e quest'anno la rivista National Academy of Science ha pubblicato i risultati di una loro ricerca, una tecnologia per produrre una plastica trasparente, facilmente lavorabile e ottima conduttrice di elettricità. Guarda caso, le basi fondamentali che un materiale deve possedere per essere impiegato nella costruzione di celle fotovoltaiche. L'equipe guidata da Yueh Lin Loo è riuscita a sperimentare positivamente una tecnologia che consente la lavorazione del polimero rispettando le sue caratteristiche. I ricercatori hanno infatti scoperto che, se trattato con un particolare acido, il polimero, una volta processato, non impedisce più il passaggio della corrente. La Loo ha poi affermato che, una volta risolto il problema della conduttività,  sarà molto facile dare alla plastica qualunque forma pur mantenendo intatte le sue proprietà (trasparenza e malleabilità). Per quanto riguarda l'aspetto economico, se questa plastica si dimostrasse capace di sostituire l'ITO nella realizzazione dei conduttori, il valore del risparmio per il processo realizzativo può spingersi anche all'80% del totale. C'è però ancora qualche perplessità in merito alla durata dei materiali, ancora inferiore all'ossido di indio e stagno.

Pannelli fotovoltaici che si autoriparano

Un docente di ingegneria chimica del MIT di Boston, Michael Strano, di chiare origini italiane, ha creato delle celle fotovoltaiche in grado di convertire l'energia solare in energia elettrica e, soprattutto, di autoassemblarsi. L'idea alla base del progetto ha tratto ispirazione dal comportamento delle piante che dal Sole non vengono distrutte ma che, con la fotosintesi clorofilliana, riciclano il loro parco proteine all'incirca ogni tre quarti d'ora.

Una delle maggiori difficoltà dei produttori di pannelli fotovoltaici è il grado di invecchiamento degli stessi, visto che i materiali con i quali sono costruiti tendono ad essere distrutti dalla degradazione prodotta dalla loro interazione con i raggi solari. Per superare questo problema, i ricercatori del MIT hanno copiato il comportamento dei cloroplasti durante la fotosintesi clorofilliana; in pratica, le proteine contenute nei cloroplasti decadono si (il professor Strano afferma che il processo avviene come se l'ossigeno rompesse il cavo che tiene unita la proteina) ma le piante sono in grado di riasse4mblare la stessa proteina.

Il ricercatore, dunque, ha creato delle molecole sintetiche capaci di attivarsi alla luce solare liberando elettroni, organizzate in centri di reazione e mantenute su dischi di fosfolipidi. Questi dischi sono immersi in una soluzione grazie alla quale si legano spontaneamente a nanotubi di carbonio che, allineando i centri di reazione, funzionano anche da conduttori per raccogliere e incanalare il flusso di elettrodi liberato dai centri stessi. E quando un tensioattivo viene aggiunto a questa soluzione, ecco che i vari componenti si distaccano fra loro per poi riassemblarsi perfettamente quando il tensioattivo, mediante una speciale membrana, viene rimosso.

La ricerca ha dimostrato che l'efficienza di questa struttura molecolare, durante il processo di conversione luce-elettricità, è di circa il 40% ma il professor Strano ha dichiarato che, almeno teoricamente, il valore potrebbe salire al 100%. Ecco perchè i risultati e le potenzialità di questa ricerca potrebbero essere in grado di offrire al mondo dell'industria una formidabile opportunità tecnologica, dando vita alla produzione su scala industriale di pannelli fotovoltaici capaci di ripararsi, eliminando così la caduta di efficienza e la necessità di sostituzione e riparazione dei pannelli dovuta, appunto, all'interazione fra i raggi solari e l'attuale materiale utilizzato nella realizzazione dei pannelli.