Produzione di celle solari più economica grazie al rame anziché all'argento

Il fotovoltaico è il pilastro della transizione energetica auspicata. Gli sviluppi e le attività di ricerca in corso portano costantemente a migliorare l'efficienza e le tecnologie di produzione dei moduli fotovoltaici. Le celle solari stanno quindi diventando sempre più un prodotto di massa. Lo stato dell'arte oggi è rappresentato dalle cosiddette celle solari a etero-giunzione, che utilizzano in misura relativamente ridotta il semiconduttore silicio metallico e hanno quindi una bassa impronta di CO2. Inoltre, raggiungono le più alte efficienze nella produzione industriale di celle solari. 

Tuttavia, l'argento è ancora utilizzato nella produzione di celle solari. Questo metallo prezioso è responsabile della conduzione dell'elettricità generata nello strato di silicio. Recentemente, tuttavia, i prezzi dell'argento sono aumentati in modo massiccio; nel frattempo, l'argento rappresenta circa il dieci per cento dei costi di produzione di un modulo fotovoltaico. Inoltre, le scorte di questo metallo prezioso sono molto limitate. Oggi, l'industria solare tratta da sola il 15% dell'argento estratto in tutto il mondo, e la tendenza è in aumento. Senza dimenticare altri settori, come quello dell'elettromobilità, che hanno una domanda sempre crescente di questo metallo.

Rame per contatti di celle solari

Quindi l'argento può essere sostituito da un altro materiale di pari valore? E se sì, che impatto ha questo sui processi di produzione delle celle solari? I ricercatori dell'Istituto Fraunhofer per i sistemi di energia solare ISE di Friburgo i. Br. hanno affrontato queste domande. Un team di ricercatori guidato dal dottor Markus Glatthaar ha sviluppato un processo di galvanizzazione per la promettente tecnologia a etero-giunzione per sostituire l'argento con il rame. Il rame è molto più economico e disponibile dell'argento.

Chiunque si occupi di galvanotecnica lo sa: le superfici che non devono essere placcate devono essere prima mascherate con uno strato non conduttivo. Il rame si accumula quindi nel bagno elettrolitico solo nelle aree non rivestite da questo isolante. Finora, per questo strato isolante sono state utilizzate costose lacche a base di polimeri o fogli laminati. Il loro smaltimento richiede tempo e denaro. Tuttavia, il team del dottor Markus Glatthaar è riuscito a sostituire i polimeri con l'alluminio. Come il rame, l'alluminio è completamente riciclabile. Il doppio cambio di materiale, dall'argento al rame e dal polimero all'alluminio, comporta anche un doppio vantaggio: La produzione di celle solari non solo diventa più sostenibile, ma anche notevolmente più economica.

Tecnologia galvanica innovativa e elettroliti migliorati

Lo speciale processo di galvanizzazione consente ora di sostituire l'argento con il rame. Secondo i ricercatori, è stato persino possibile migliorare la conduttività delle cosiddette busbars, cioè il collegamento tra le singole celle solari. Grazie alla strutturazione laser utilizzata, le linee di rame sono particolarmente strette. Grazie alla larghezza estremamente ridotta della linea di rame, pari a soli 19 μm (micrometri), lo strato di silicio che assorbe la luce subisce una minore ombreggiatura rispetto alle linee d'argento. Questo e l'elevata conduttività del rame elettrodepositato migliorano la resa di corrente.

Ma l'alluminio come strato di mascheramento? Anche l'alluminio è conduttivo, non è vero? In effetti, a prima vista questo metallo sembra inadatto come maschera. Tuttavia, l'alluminio ha la proprietà di ossidarsi rapidamente e di formare uno strato di ossido di pochi nanometri di spessore, che funge da isolante. "Siamo stati in grado di regolare i parametri del processo e di sviluppare un tipo speciale di elettrolita che garantisce che lo strato di ossido estremamente sottile e nativo dell'alluminio possa svolgere in modo affidabile la sua funzione isolante. È stata una pietra miliare importante per il successo del nostro progetto di ricerca", afferma felice il dottor Glatthaar.

Spinta alla produzione di celle solari più economiche

I ricercatori sono convinti che sia il rame che l'alluminio, in quanto materiali riciclabili, possano avvicinare la produzione fotovoltaica all'economia circolare e migliorare gli standard ambientali e sociali. Come passo successivo, è stato fondato uno spin-off dal Fraunhofer ISE, che mira a creare un impianto di produzione pilota insieme a partner industriali all'inizio del 2023.

La sostituzione dell'argento con il rame potrebbe dare un ulteriore impulso alla produzione di celle solari. Questo perché il rame è più facilmente disponibile dell'argento e ha catene di approvvigionamento più brevi. Inoltre, il prezzo del rame è attualmente meno dipendente dai mercati internazionali delle materie prime. Il prezzo di una tonnellata di rame è stato in media di 7545 dollari nel luglio 2022. A titolo di confronto: nel maggio 2021 si dovevano ancora pagare più di 10.000 dollari per tonnellata di rame.

Fonti: Techexplore.com / Fraunhofer ISE