Cosa sono i pannelli solari fotovoltaici flessibili?

I pannelli fotovoltaici flessibili o pieghevoli sono un modo estremamente conveniente per produrre elettricità solare. La maggior parte dei pannelli solari flessibili pesano meno di 2-3 kg e hanno uno spessore inferiore a 2-3 cm. I pannelli solari flessibili ad alta efficienza di solito possono essere piegati a circa 30 gradi, consentendo loro di adattarsi a qualsiasi superficie curva di una barca, camper, furgone o rimorchio.

L’installazione dei pannelli solari flessibili è estremamente semplice, poiché la maggior parte dei sistemi viene semplicemente fissata o incollata su una superficie utilizzando un adesivo incluso. La praticità di questo sistema ha però uno svantaggio, poiché la mancanza di spazio tra un pannello flessibile e un tetto può portare alla creazione di una dissipazione di calore che danneggerà il pannello e ne limiterà la durata.

Come è fatto un pannello fotovoltaico flessibile

Nonostante le differenze piuttosto evidenti, i pannelli solari flessibili funzionano molto come i pannelli solari convenzionali (piatti), poiché si basano sulla stessa tecnologia fotovoltaica: la capacità di generare energia solare dalla luce solare diretta assorbita dal materiale. Infatti, tutte le forme di pannelli fotovoltaici sono strategicamente fabbricate in tonalità blu scuro / nero, al fine di assorbire la massima quantità di luce solare (durante la luce del giorno). Ciò porta a una maggiore quantità di generazione di energia.

Mentre i pannelli solari convenzionali utilizzati per alimentare residenze e complessi commerciali sono di dimensioni e potenza maggiori (in genere più pannelli da 340 watt di potenza), e quindi le loro dimensioni ingombranti, i pannelli solari flessibili sono realizzati per soddisfare le esigenze di alimentazione a bassa potenza ( wattaggio), e in genere sono disponibili con capacità da 50 a 300 watt.

Un comune pannello solare monocristallino o policristallino standard è costituito da wafer di silicio. In genere tali pannelli hanno uno spessore fino a 200 micrometri, che è leggermente più spesso di un capello umano. Per realizzare un pannello solare “flessibile”, quei wafer di silicio devono essere tagliati a uno spessore di pochi micrometri. L’utilizzo di questi wafer di silicio ultrasottili conferisce ai pannelli solari molte proprietà uniche, inclusa la flessibilità per alcuni modelli.

Le celle solari flessibili di questo tipo sono realizzate stratificando materiale fotovoltaico su una “base”, ovvero un substrato di plastica o vetro di alta qualità. Queste celle sono molto più sottili e molto più flessibili di un pannello solare convenzionale mono o policristallino. La configurazione a strati di queste celle solari ultrasottili consente un design più compatto per ridurre al minimo la perdita di energia quando le celle vengono oscurate dalle nuvole.

I materiali usati per i pannelli fotovoltaici flessibili

Tellururo di cadmio: questo è il materiale più comunemente utilizzato nella produzione di pannelli a film sottile e rappresenta quasi la metà dei materiali utilizzati in totale. Recentemente, l’efficienza solare di queste celle è aumentata ed è quasi uguale a quella del silicio policristallino. Ha anche la capacità di ridurre il periodo di recupero dell’investimento, rendendolo la migliore di tutte le tecnologie solari, con una media nelle aree buone di circa otto mesi.

Rame Indio Gallio Seleniuro: la principale differenza tra questo ed i precedenti materiali, è l’assenza di metalli pesanti. Le celle realizzate con questo materiale sono inoltre in fase di sviluppo per creare un livello di efficienza simile al silicio, con prezzi molto inferiori a causa della minore quantità di materiali utilizzati.

 

Silicio amorfo: questa è una versione non cristallina del silicio che rappresenta un’ottima alternativa al tradizionale materiale dei wafer. I dispositivi che sono stati costruiti con silicio amorfo hanno mostrato meno problemi rispetto ad altre tecnologie a film sottile, principalmente perché non sono influenzati dall’umidità e non contengono materiali tossici. Sono anche l’opzione più verde perché la loro produzione non causa problemi all’ambiente.

Al momento, le due tecnologie più comuni utilizzate nella produzione di pannelli solari flessibili sono il rame indio gallio seleniuro (CIGS) e il silicio amorfo (a-Si). Tuttavia, i ricercatori della Stanford University hanno sviluppato una tecnologia per stampare celle solari: applicare il materiale attivo della cella solare sulla superficie di cose ordinarie come un foglio di carta o plastica e il tetto di un’auto. Questo, sperano, aprirà nuove possibilità per sfruttare l’energia solare.

I pannelli flessibili del futuro: celle organiche e grafene

I pannelli solari flessibili realizzati con celle di silicio ultrasottili sono in circolazione da un po’ di tempo. Più recentemente, la ricerca presso il Massachusetts Institute of Technology ha lasciato il posto ai progressi nelle celle solari organiche. Invece di utilizzare il silicio come base per le celle solari, i ricercatori hanno trovato un modo per utilizzare materiali organici con elettrodi di grafene.

Fino ad ora, un fattore limitante sulla flessibilità del pannello è stata la fragilità degli elettrodi tipici, ma a causa della natura trasparente e flessibile del grafene, questo metodo potrebbe portare a pannelli solari più sottili, più flessibili e più stabili in futuro di quanto possiamo attualmente produrre. Pertanto, siamo vicini a una vera e propria rivoluzione in questo settore, con celle solari che saranno tutt’intorno a noi: su finestre e pareti, telefoni cellulari, laptop e altro ancora.

Il dispositivo realizzato al MIT combina materiali organici (contenenti carbonio) a basso costo con elettrodi di grafene, un materiale flessibile e trasparente realizzato con fonti di carbonio abbondanti e poco costose. Questo progresso nella tecnologia solare è stato reso possibile da un nuovo metodo per depositare uno strato di grafene dello spessore di un atomo sulla cella solare, senza danneggiare i materiali organici sensibili nelle vicinanze.

Fino ad ora, gli sviluppatori di celle solari trasparenti si sono generalmente affidati a elettrodi costosi e fragili che tendono a rompersi quando il dispositivo viene flesso. La possibilità di utilizzare invece il grafene sta rendendo possibili celle solari trasparenti, a basso costo e veramente flessibili che possono trasformare praticamente qualsiasi superficie in una fonte di energia elettrica.

Le celle solari fotovoltaiche realizzate con composti organici offrirebbero una serie di vantaggi rispetto alle attuali celle solari in silicio inorganico. Sarebbero più economiche e più facili da produrre. Sarebbero leggere e flessibili piuttosto che pesanti, rigidi e fragili, e quindi sarebbero più facili da trasportare, anche in regioni remote senza una rete elettrica centrale.

Ed inoltre, come accennato, potrebbero essere trasparenti. Molti materiali organici assorbono i componenti ultravioletti e infrarossi della luce solare ma trasmettono la parte visibile che i nostri occhi possono rilevare. Le celle solari organiche potrebbero quindi essere montate su superfici intorno a noi e raccogliere energia senza che ce ne accorgiamo.

I ricercatori hanno compiuto progressi significativi nell’ultimo decennio verso lo sviluppo di celle solari organiche trasparenti. Ma hanno incontrato un ostacolo persistente: trovare materiali adatti per gli elettrodi che portano la corrente fuori dalla cella. L’opzione corrente più utilizzata è l’ossido di indio e stagno (ITO), che è conduttivo e trasparente, ma anche rigido e fragile. Quindi, quando la cella solare organica si piega, l’elettrodo ITO tende a rompersi e sollevarsi.

Inoltre, l’indio è costoso e relativamente raro. Un’alternativa promettente all’ITO è il grafene, una forma di carbonio che si trova in fogli spessi un atomo e ha caratteristiche notevoli. È altamente conduttivo, flessibile, robusto e trasparente; ed è realizzato con carbonio poco costoso e onnipresente. Inoltre, un elettrodo di grafene può avere uno spessore di appena 1 nanometro, una frazione dello spessore di un elettrodo ITO e una corrispondenza di gran lunga migliore con la sottile cella solare organica stessa.

Due problemi chiave hanno rallentato l’adozione all’ingrosso degli elettrodi di grafene. Il primo problema è depositare gli elettrodi di grafene sulla cella solare. La maggior parte delle celle solari sono costruite su substrati come vetro o plastica. L’elettrodo di grafene inferiore viene depositato direttamente su quel substrato, un compito che può essere ottenuto mediante processi che coinvolgono acqua, solventi e calore. Ma mettere l’elettrodo superiore sulla superficie del substrato è complicato.

Il secondo problema è che i due elettrodi devono svolgere ruoli diversi. La facilità con cui un dato materiale lascia andare gli elettroni è una proprietà impostata chiamata sua funzione di lavoro. Ma nella cella solare, solo uno degli elettrodi dovrebbe far defluire facilmente gli elettroni. Di conseguenza, avere entrambi gli elettrodi fatti di grafene richiederebbe la modifica della funzione di lavoro di uno di essi in modo che gli elettroni sappiano dove andare – e cambiare la funzione di lavoro di un materiale non è semplice.

Così, i ricercatori hanno incorporato gli elettrodi di grafene in celle solari organiche funzionanti. Una cella solare organica può essere depositata su qualsiasi tipo di superficie, rigida o flessibile, trasparente o meno. Le misurazioni mostrano che le prestazioni dei dispositivi sono più o meno uguali su substrati flessibili come plastica e carta e solo leggermente inferiori a quelle realizzate su vetro, probabilmente perché le superfici sono più ruvide, quindi c’è un maggiore potenziale di scarso contatto.

La capacità di depositare la cella solare su qualsiasi superficie la rende promettente per l’uso sull’elettronica di consumo, un campo in rapida crescita in tutto il mondo. Ad esempio, le celle solari potrebbero essere fabbricate direttamente su telefoni cellulari e laptop anziché essere realizzate separatamente e quindi installate, un cambiamento che ridurrebbe significativamente i costi di produzione.

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