Team SBLa tecnologia delle celle solari a film sottile è la seconda generazione di celle solari fotovoltaiche (PV), caratterizzate da un semiconduttore sottile che va da pochi nanometri a micrometri. Uno dei tipi più popolari di tecnologia solare a film sottile è il rame indio gallio seleniuro (CIGS). Le celle solari CIGS hanno dimostrato di fornire un'elevata potenza in uscita, sono efficienti in termini di costi, presentano una CO inferiore2 ingombro e hanno molti altri vantaggi.
Se sei interessato a saperne di più sulle celle solari CIGS, sui vantaggi di questa tecnologia o sull'attuale stato di crescita dei pannelli solari CIGS sul mercato, questo è l'articolo giusto per te.
Qui esaminerai le basi di questa tecnologia, imparerai i suoi pro e contro, comprenderai le diverse applicazioni per la tecnologia delle celle solari CIGS, scoprirai gli aggiornamenti più recenti sulla tecnologia e altro ancora.
Tecnologia solare a film sottile CIGS: comprendere le basi
Una breve storia…
La tecnologia dei pannelli solari CIGS può risalire alla sua origine torna al 1953 quando Hahn realizzò il primo CuInSe2 (CIS) cella solare a film sottile, nominata come materiale fotovoltaico nel 1974 dai Bell Laboratories. In quell'anno, i ricercatori iniziarono a testarlo e nel 1976 i ricercatori dell'Università realizzarono il primo p-CuInSe2/n-CdS, muovendo i primi passi verso le celle solari a film sottile CIGS. Nel 1995, i ricercatori del National Renewable Energy Laboratory (NREL) hanno finalmente introdotto il gallio nella miscela di celle solari CIS, creando la prima cella solare CIGS.
Nozioni di base sulla struttura della cella solare CIGS
La tecnologia dei pannelli solari a film sottile CIGS è prodotta con una giunzione pn composta da rame, indio e gallio, che viene successivamente ricotto con Vapore di seleniuro. La proprietà flessibile del modulo si ottiene variando il substrato, che è ciò che gli conferisce proprietà uniche per diverse applicazioni. La struttura della cella solare CIGS presenta anche un foglio conduttivo per la conduttività e uno strato protettivo.
Un vantaggio di un pannello solare a film sottile CIGS è che la sua tecnologia lo è estremamente versatile, essendo in grado di adattarsi a numerose applicazioni. I moduli fotovoltaici che utilizzano questa tecnologia possono essere prodotti come moduli flessibili, moduli rigidi, prodotti BIPV (Building-Integrated Photovoltaics) e con le tecnologie attuali, anche come moduli bifacciali ad alta efficienza.
Impatto sull'ambiente e riciclaggio
C'è anche un importante vantaggio ambientale per la tecnologia dei pannelli solari a film sottile CIGS rispetto a silicio cristallino (c-Si) quelli. La produzione di moduli fotovoltaici c-Si produce un inquinamento equivalente di 50-60 g di COXNUMX2/kWh, mentre solo un pannello solare CIGS produce 12-20 g di laser CO2/kWh, che è simile all'energia eolica che produce 10–12 g di CO2/ kWh.
Poiché la produzione di un pannello solare a film sottile CIGS richiede l'utilizzo di metalli preziosi, è un buon punto a favore di questa tecnologia che può essere Riciclato. Circa il 100% dell'argento e l'85% dell'indio utilizzati per fabbricare questi moduli possono essere recuperati durante il riciclaggio.
Grande efficienza di conversione e prestazioni
La tecnologia dei pannelli solari CIGS è una delle tecnologie a film sottile più efficienti disponibili. Un'efficienza record delle celle solari CIGS del 23.35% è stato raggiunto da Nakamura et al nel 2019 per le celle solari CIGS, mentre i moduli di pannelli solari flessibili CIGS presentano un'efficienza registrata del 22.2%, raggiunto nel 2022 dai Laboratori federali svizzeri per la scienza e la tecnologia dei materiali (EMPA).
Questa tecnologia offre grandi prestazioni, in parte grazie al suo coefficiente di bassa temperatura (TCO) di soli -0.36% / ºC, essendo eccellente per tutte le applicazioni in luoghi con clima estremo. Man mano che la tecnologia viene ulteriormente sviluppata o combinata come celle solari tandem, è possibile aumentarne l'efficienza.
Pro e contro dei pannelli solari a film sottile CIGS
Vantaggi
Elevata efficienza di conversione
L'efficienza di conversione record per le celle solari CIGS è stata raggiunta al 23.35%. Questo è al di sopra della media e vicino al record di altre popolari tecnologie c-Si.
Costi di produzione competitivi
I pannelli solari CIGS hanno costi di produzione competitivi, grazie al loro design sottile, caratterizzato da un minore fabbisogno di materiali per la produzione di celle solari.
Impronta di carbonio ridotta
La produzione di celle solari CIGS genera a malapena 12-20 g di CO2 equivalente/kWh. Questa bassa impronta di carbonio è abbastanza vicina a quella dell'energia eolica.
Estetica superiore
Grazie a un design più leggero e sottile, le celle solari CIGS sono dotate di un aspetto estetico superiore. Inoltre, i modelli di pannelli solari flessibili CIGS adattarsi a edifici dalla forma strana, ideale per migliorare l'estetica.
Proprietà uniche adatte a varie applicazioni
Con la loro leggerezza, le celle solari CIGS possono essere installate su tetti con una capacità di peso limitata. Questa tecnologia può anche essere prodotta in opzioni di pannelli solari flessibili CIGS per edifici di forma strana o fotovoltaico integrato negli edifici (BIPV).
Migliori prestazioni in condizioni di luce diffusa e alte temperature
Le celle solari CIGS possono funzionare meglio grazie a un migliore adattamento in luoghi con luce diffusa e un coefficiente di bassa temperatura di -0.36%/ºC, che riduce le perdite di potenza in luoghi con clima estremo.
Adatto per applicazioni bifacciali
I pannelli solari CIGS bifacciali possono essere fabbricati per sfruttare la risorsa albedo. L'industria solare ha recentemente compiuto progressi per migliorare la tecnologia CIGS bifacciale.
I pannelli solari a film sottile CIGS possono potenzialmente essere riciclati
La tecnologia delle celle solari CIGS può essere riciclata, recuperando il 100% dell'argento e l'85% dell'indio utilizzati per fabbricare le celle.
Svantaggi
La produzione richiede un metallo raro
I pannelli solari a film sottile CIGS richiedono indio, che è considerato un metallo raro. L'unico aspetto positivo è che la maggior parte dell'indio nei pannelli solari a film sottile CIGS può essere riciclata da vecchi moduli.
Rapida degradazione delle celle solari in determinate condizioni
Le celle solari a film sottile CIGS possono essere fortemente influenzate dal vapore acqueo che causa la migrazione del sodio all'interno della cella e aumenta il degrado delle celle solari. Per evitare ciò, si sconsiglia di utilizzare questo tipo di tecnologia fotovoltaica in aree con elevata umidità e luce solare intensa quando la qualità del prodotto non è nota.
Applicazioni dei pannelli solari a film sottile CIGS
I pannelli solari a film sottile CIGS hanno diverse applicazioni. Questa tecnologia può essere utilizzata per applicazioni tradizionali, ma anche uniche non adatte ai pannelli solari c-Si convenzionali.
Applicazioni tradizionali residenziali, commerciali e industriali/su larga scala
I pannelli solari a film sottile CIGS possono essere progettati come moduli rigidi o flessibili, da utilizzare in installazioni fotovoltaiche tradizionali su scale che vanno da quelle residenziali fino a quelle di utilità. Le grandi prestazioni in diverse condizioni di illuminazione e temperature estreme, rendono questi moduli migliori rispetto alle tecnologie tradizionali.
Fotovoltaico integrato negli edifici (BIPV)
BIPV è una particolare applicazione adatta per CIGS e pochi altre tecnologie solari a film sottile. Le celle solari CIGS possono essere progettate nella facciata di un edificio, nelle finestre o adattate in diverse forme per fornire agli edifici la capacità di produrre energia solare, senza interrompere l'estetica del luogo.
Applicazioni spaziali
Poche tecnologie, inclusa la CIGS, possono essere adattate alle applicazioni spaziali. Fino al 2023, Ascent Solar, il produttore di pannelli solari CIGS con sede negli Stati Uniti, ha prodotto Moduli fotovoltaici CIGS per applicazioni spaziali con proprietà uniche che sono state spesso dimostrate dalla NASA.
Gli ultimi risultati e aggiornamenti sui pannelli a film sottile CIGS (2022-2023)
Efficienza record del 22.2% per le celle solari CIGS flessibili
Nel settembre 2022, i ricercatori dei Laboratori federali svizzeri per la scienza e la tecnologia dei materiali (EMPA) hanno presentato un nuovo record di efficienza raggiunto per una cella solare CIGS flessibile del 22.2%, all'8th Conferenza mondiale sulla conversione dell'energia fotovoltaica (WCPEC-8). IL il record precedente era del 21.4%, mentre il record per la tecnologia CIGS a film sottile, in generale, è detenuto al 23.35%.
Il Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (Fraunhofer ISE) ha successivamente confermato questo risultato. Il nuovo record è stato raggiunto modificando la composizione dello strato CIGS, che ha aumentato la tensione di uscita e migliorato le prestazioni. Questi risultati possono essere replicati su scala industriale per aumentare l'efficienza della produzione di pannelli solari CIGS al dettaglio.
Maggiore efficienza per le celle solari a film sottile CIGS bifacciali
I ricercatori dei Laboratori federali svizzeri per la scienza e la tecnologia dei materiali (EMPA) hanno ottenuto una maggiore efficienza nei moduli fotovoltaici bifacciali con la tecnologia dei pannelli solari a film sottile CIGS. Il disco ha raggiunto un'efficienza del 19.8% sul lato frontale del modulo e del 10.9% sul lato posteriore.
La tecnologia bifacciale è ottima per le applicazioni che sfruttano la risorsa albedo, ma una maggiore efficienza è particolarmente interessante nella tecnologia solare a film sottile a causa delle proprietà trasparenti del modulo. Questo risultato potrebbe anche portare a una maggiore efficienza in applicazioni come BIPV.
I ricercatori hanno progettato una cella solare tandem perovskite-CIGS che potrebbe raggiungere un'efficienza del 29.7%.
La ricerca di celle solari tandem con perovskite ha mostrato un potenziale nelle pubblicazioni nel corso degli anni. Nel 2023, i ricercatori dell'Università di Chitkara in India pubblicato un documento in Energy Fuels che illustra uno studio numerico che mostra una cella solare CIGS-perovskite tandem potenziata, dimostrando che si può raggiungere un'efficienza di conversione solare del 29.7%.
Lo studio si basa su una cella solare tandem monolitica caratterizzata da uno strato superiore di perovskite con un ampio band gap (Eg) di 1.68 eV e uno strato CIGS con un Eg di 1.1 eV. Esistono ancora alcune limitazioni dovute a perdite e interferenze che potrebbero non essere state considerate, ma il potenziale di questo calcolo potrebbe produrre risultati impressionanti in esperimenti eseguiti in un laboratorio che cerca di riprodurre il progetto.
I ricercatori giapponesi creano una tabella di marcia per aumentare l'efficienza dei pannelli solari a film sottile CIGS
Attualmente, il pannello solare a film sottile CIGS medio presenta un'efficienza di conversione che supera leggermente il 18%. Nell'ottobre 2022, i ricercatori giapponesi del National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) hanno pubblicato un documento proponendo una metodologia aumentare l'efficienza di un pannello solare CIGS oltre la soglia di efficienza di conversione solare del 20%.
Il documento promuove l'acquisizione di energia solare creando una tabella di marcia verso modelli di pannelli solari flessibili CIGS a film sottile ad alta efficienza che possono essere utilizzati su superfici curve e tetti con limiti di peso. Il metodo consiglia ridurre il deterioramento CIGS ai margini delle celle solari utilizzando appropriati trattamenti di passivazione/terminazione durante la produzione o sostituendo la graffiatura meccanica.
In che modo i pannelli solari a film sottile CIGS si confrontano con altre tecnologie sul mercato?
Nel settore dell'energia solare sono disponibili molte eccezionali tecnologie fotovoltaiche. In questa sezione, confrontiamo la tecnologia dei pannelli solari a film sottile CIGS con la tecnologia Passivated Emitter Rear Cell (PERC), che detiene la quota di mercato più elevata, e con la tecnologia Tunnel Oxide Passivated Contact (TOPCon), una versione aggiornata della tecnologia PERC con un aumento della popolarità.
| PERC | TOPCon | CIGS | |
|---|---|---|---|
| Massima efficienza registrata | 24.50% | 26.56% | 23.35% |
| Coefficiente di Temperatura | < -0.4%/ºC | < -0.3%/ºC | -0.36% / ºC |
| Quota di mercato | 75% (2021) | 8% (2020) | <1% (2021) |
| Peso | 17.9-33 kg | 5 kg | |
| Applicazioni | Applicazioni tradizionali di moduli fotovoltaici rigidi |
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Le popolari tecnologie c-Si come PERC e TOPCon hanno superato la tecnologia dei pannelli solari CIGS in pochi parametri, ma questa tecnologia a film sottile è ancora altamente in grado di competere con loro.
La massima efficienza registrata per le celle solari CIGS è di pochi punti inferiore a quella di TOPCon e solo leggermente inferiore a quella della tecnologia PERC. Mentre i moduli di produzione di massa possono superare di poco il 18%, i ricercatori giapponesi stanno già lavorando per aumentare tale efficienza oltre la soglia del 20%.
Un grande punto a favore dei pannelli solari a film sottile CIGS è il loro coefficiente di temperatura. TOPCon è la tecnologia più performante, ma CIGS funziona meglio in climi estremi rispetto alla tecnologia PERC e anche si comporta eccezionalmente in condizioni di luce diffusa.
Il punto di forza a favore della tecnologia dei pannelli solari a film sottile CIGS è l'elevato numero di domande che superano le tecnologie PERC e TOPCon PV. I pannelli solari CIGS possono essere utilizzati come moduli rigidi tradizionali, come moduli fotovoltaici flessibili da installare su tetti curvi o edifici di forma irregolare e per molte altre applicazioni.
Il peso leggero dei pannelli solari CIGS è ottimo per le applicazioni in cui esiste un limite massimo di peso. Il peso dei moduli fotovoltaici PERC e TOPCon può variare da 18 kg fino a 33 kg, ma alcuni pannelli solari a film sottile CIGS pesano appena circa 5 kg. Questo li rende un'ottima opzione per le case con limiti di peso del tetto per godere dell'energia solare senza cambiare il tetto.
Oltre alle applicazioni fotovoltaiche flessibili e rigide, la tecnologia solare a film sottile CIGS può esserlo progettato e prodotto per applicazioni BIPV. I moduli fotovoltaici CIGS possono essere prodotti in vari colori e modelli, creati in forme personalizzate per applicazioni estetiche o utilizzati come facciate fotovoltaiche, vetrate solari, scandole e altro ancora.
Pannelli solari a film sottile CIGS e il suo mercato: una panoramica sul futuro
I pannelli solari a film sottile CIGS attualmente detengono solo 1% della quota di mercato, ma la tecnologia è in costante crescita nel settore solare dal 2017, rendendola una delle più importanti tecnologie solari a film sottile. Si prevede che la tecnologia dei pannelli solari a film sottile CIGS continuerà a crescere a un tasso di crescita annuale composto (CAGR) del 6.97% dal 2019 al 2027.
Attualmente, ci sono diversi produttori di pannelli solari CIGS. Tra questi la società svizzera Flisom con una linea di produzione di 15 MW, Sunflare con una capacità di produzione di 40 MW e molte altre, tra cui la startup francese nota come Solar Cloth, che ha recentemente iniziato con una capacità di produzione di 20 MW.
Un altro aspetto importante da considerare quando si parla del futuro della tecnologia dei pannelli solari a film sottile CIGS è il numero di progetti che mirano a migliorare questa tecnologia.
Celle solari tandem CIGS-perovskite
Uno sviluppo promettente che coinvolge le celle solari CIGS è la creazione delle celle solari tandem CIGS-perovskite. La tecnologia offre grandi opportunità per la futura industria solare da allora ha dimostrato un'efficienza di conversione solare superiore al 24%, caratterizzata da leggerezza, flessibilità e resistenza alle radiazioni.
Celle solari CIGS ad alte prestazioni
Un altro progetto promettente è lo sviluppo di celle solari CIGS ad alte prestazioni utilizzando un metodo di sintesi migliorato. IL Progetto UL-Flex-Cell si è concluso a febbraio 2023, con un budget vicino ai 160,000 euro, ed è stato coordinato dal Laboratorio internazionale di nanotecnologie iberiche. Il progetto mirava a migliorare la produzione della cella solare CIGS per aumentare l'efficienza dei moduli.
Applicazione della tecnologia delle celle solari al silicio alle celle solari CIGS
C'è un progetto di miglioramento della tecnologia fotovoltaica volto a combinare la tecnologia delle celle solari c-Si con le celle solari CIGS, aumentando l'efficienza delle celle solari al 23%–26%, migliorando la stabilità e l'affidabilità e riducendo i costi. Il progetto è stato ospitato dall'Interuniversitair Micro-Electronica Centrum (IMEC), prevedeva un budget di poco inferiore a 2,000,000 di euro e si è concluso nel terzo trimestre del 3. I risultati sono pubblicato in 33 articoli sottoposti a revisione paritaria, 1 libro monografico e 1 conferenza di lavoro.
Progetto NovaCell
Infine, nel terzo trimestre del 3, è stato annunciato il Progetto NovaCell che è ospitato dal NOA Research Group. Questo progetto mira a sviluppare una nuova architettura per celle solari CIGS. Hanno in programma di raggiungere questo obiettivo riducendo lo spessore della cella solare a 700 nm, risparmiando materiali, pur ottenendo un'efficienza della cella solare CIGS del 16% a basso costo.
