La ricerca ed il futuro

La scienza fortunatamente è un processo in costante evoluzione e qualsiasi persona operante in tale campo mossa dai desideri di progresso e scoperta è alla ricerca del nuovo o nel caso di tecnologie già esistenti si cercano soluzioni più efficienti, economiche o "pulite" (in termini ambientali).
Nel campo delle celle fotovoltaiche alcune recenti ricerche hanno condotto alla possibilità di utilizzo di nuovi materiali, inediti in tali applicazioni come la perovskite.

(Perovskite)

La perovskite, costituita principalmente da un ossido doppio di calcio e tallio, renderebbe le celle solari non solo più efficienti ma anche più economiche. La messa in pratica di tale ricerca è ostacolata oltre che da alcune perplessità del funzionamento optoelettrico di costruzioni con tale materiale anche dall'impatto ambientale dato che tale tecnologia richiederebbe l'uso di piombo, elemento famoso anche per la sua tossicità.



Si allegano due articoli che approfondiscono gli aspetti riguardanti questa possibile tecnologia futura:

• link 1
• link 2

Gli sviluppi dell'invenzione

Il brevetto preso in esame è abbastanza recente essendo datato 1987 e per tale motivo la tecnologia non ha subito radicali innovazioni, bensì ci sono stati vari tentativi di miglioramento: per aumentare l'efficienza, per diminuire l'impatto ambientale e, come ricercato per tutte le merci sul mercato, per abbattere i costi di produzione.

I vari tentativi di miglioramento di questa tecnologia più che ad una sostituzione hanno portato ad una "ramificazione" del prodotto, dove le varie versioni più recenti si sono affiancate a quelle precedenti, tutt'ora in uso, ed hanno aumentato la versatilità del prodotto permettendo di adattare, con le differenti tecnologie e tecniche, i pannelli solari fotovoltaici alle esigenze di ogni differente applicazione.

Le celle solari tradizionali descritte nel brevetto di Pidgeon e Webb adottano la tecnologia a silicio amorfo depositato da fase di vapore che presentano un'efficienza dell'8%  e sono tutt'ora le più diffuse nell'uso domestico. Per garantire una maggiore efficienza si sono sviluppate le celle fotovoltaiche a silicio monocristallino, materiale fondamentale dell'industria elettronica usualmente prodotto tramite il processo Czochralski. Tali celle a silicio monocristallino opportunamente "drogato", ovvero dopo aver subito drogaggio, presentano un'efficienza di circa 18-21%; solitamente a causa dell'elevato costo di produzione non sono adibite ad impianti di grosse dimensioni.
Un compromesso tra efficienza e costo sono le celle costruite in silicio policristallino, più facile da tagliare e quindi più economico di quello monocristallino, per contro meno efficienti (15-17%).
Altra tipologia di celle, sviluppatasi più recentemente, sono le cosiddette celle solari "a film sottile". Quest'ultime sono realizzate tramite la deposizione di del materiale semiconduttore su un supporto vetroso oppure plastico, utilizzato per speciali pannelli flessibili.
Anche quest'ultima evoluzione si diversifica a seconda del materiale semiconduttore applicato. Quelli più diffusi sono quattro:

• Tellurio di cadmio (CdTe), utilizzato anche nelle celle "tradizionali", che per contro contiene una grande quantità di Cadmio che risulta tossico per l'uomo.
• Silicio amorfo (a-Si), che come nel caso "tradizionale" presenta una bassa efficienza.
• Seleniuro di rame, indio e gallio (CIGS), con un'efficienza di circa 20%, oppure Diseleniuro di rame ed indio (CIS) che ha una resa migliore del precedente ma una minor capacità, quindi necessita di maggiore superficie per un'egual potenza.
• Arseniuro di gallio (GaAs), materiale citato anche nel brevetto per le sue caratteristiche di versatilità ed efficienza (28,8%) ma molto più costoso dei precedenti. Utilizzato spesso per le applicazioni spaziali.

(P.S. : si allega un link di approfondimento)

Thermoplastic injection molding

Come si è visto alcuni parti strutturali dei pannelli solari adibiti all'uso terrestre possono essere costruiti mediante il "Thermoplastic injection molding (TIM)" ovvero stampaggio ad iniezione termoplastica. Quest'ultimo è un processo di fabbricazione che crea componenti completamente funzionali iniettando resina plastica in uno stampo prefabbricato. Solitamente tale stampo è fatto di alluminio od acciaio ed è tipicamente progettato mediante un file CAD.
In generale tale processo produttivo di stampaggio si può riassumere in cinque step fondamentali:

1. Riscaldare la resina plastica, o comunque un materiale dalle proprietà termoindurenti, secondo il range di calore richiesto per la componente che si vuole produrre.
2. Utilizzando una struttura a vite ("reciprocating screw"), sulla cui punta confluirà la plastica fusa, si determina la dimensione e lo spessore dello stampo.
3. Viene iniettata la resina plastica nello stampo con una certa pressione in modo che tutte le cavità di quest'ultimo vengano colmate uniformemente.
4. Viene fatta raffreddare la plastica nello stampo mediante il sistema di raffreddamento previsto dal macchinario.
5. Una volta raffreddata e consolidata si ha l'espulsione della plastica dallo stampo ed a seguito dell'imballaggio del prodotto ottenuto, si può considerare concluso il processo

I vantaggi di questo sistema di fabbricazione sono plurimi: la precisione, maggiore  perfino di altri metodi ugualmente moderni ed avanzati come la stampa 3D; la possibilità di iniettare tramite lo stesso processo una considerevole varietà di resine plastiche ingegneristiche, modellando perfino le finiture superficiali ed infine la velocità di produzione.
Unico svantaggio può essere il costo complessivo che risulta, per esempio, maggiore rispetto ad un processo di stampa 3D.

Schematizzazione della macchina utilizzata nel Thermoplastic injection molding

I materiali

(Fogli di fibra di carbonio)

Aspetto fondamentale di qualsiasi innovazione tecnologica ed in generale di tutto ciò che è fatto dall'uomo sono i materiali utilizzati per la costruzione, con la loro relativa disponibilità in natura e di conseguenza il loro costo sul mercato. Andiamo quindi ad identificare quali sono i materiali utilizzati per la costruzione delle celle solari, nonché citati nel brevetto, e se questi siano poi stati eventualmente sostituiti col progredire dello sviluppo tecnologico.
Primo fra tutti i materiali coinvolti in questa invenzione è la fibra di carbonio con i relativi materiali compositi che essa può formare. Difatti tutta la struttura portante dei riflettori primari e secondari di un complesso di celle solari è formata dai cosiddetti "materiali compositi", materiali eterogenei, che in questo caso sono costituiti da una composizione di fibra di carbonio e resina sintetica oppure fibra di carbonio ed un altro materiale carbonioso, come la grafite, formando i cosiddetti materiali "carbonio-carbonio".

(Alluminio)

La parte sottostante la zona di riflessione è usualmente rinforzata o con ulteriore fibra di carbonio oppure con dell'alluminio.

Passando a quello che è il fulcro del funzionamento di ogni singola cella solare, ovvero la parte riflettente, essendovi la necessità di un materiale ad alta conduttività termica, oltre che conduttore elettrico, si optò per l'arseniuro di gallio (GaAs), un semiconduttore composto dagli elementi chimici arsenico (As) e gallio (Ga). Tale composto è stato scelto proprio perché caratterizzato da un alta mobilità dei portatori liberi di carica.

(Silicio)

Inizialmente tale tecnologia era adibita al settore spaziale, ma quando si notarono anche i vari vantaggi "terrestri" , per quest'ultimo utilizzo, si preferì sostituire l'arseniuro di gallio con delle celle al silicio (Si), un semimetallo semiconduttore, per ovvie ragioni di abbondanza e disponibilità dato che il silicio è il secondo elemento più presente sulla crosta terrestre. Per l'uso terrestre, oltre all'arseniuro di gallio, si sostituì il materiale strutturale composito con del materiale termo-plastico stampato ad iniezione e si ricoprirono le celle di silicio stesse con una sostanza vetrosa a scopo protettivo.
In ambedue gli utilizzi, spaziale e terrestre, la parte riflettente, rispettivamente in arseniuro di gallio e silicio, viene ottenuta tramite deposizione chimica da vapore: tecnica di sintesi che permette di ottenere su un supporto solido un deposito da un cosiddetto precursore molecolare, dotato di un'alta tensione di vapore ed una buona stabilità termica, introdotto in forma gassosa che decomponendosi si deposita sulla superficie del supporto.