Il fotovoltaico è un mercato ancora abbastanza giovane considerando i suoi 20-25 anni di sviluppo dal lancio dei primi schemi incentivanti in Italia, ma che allo stesso tempo ha dimostrato quanto l’innovazione tecnologica sia stata impattante. E questo su tutti i componenti principali dell’impianto, dai moduli agli inverter fino alle più semplici strutture di montaggio.
Eppure sono proprio i moduli fotovoltaici ad aver registrato, in un brevissimo lasso di tempo, i risultati più importanti in termini tecnologici. Oggi sul mercato sono così disponibili prodotti più efficienti, potenti e affidabili. Queste tre caratteristiche dipendono fortemente anche dai progressi tecnologici nella formulazione degli incapsulanti.
Sono allo studio incapsulanti che combinano alta trasparenza ai raggi UV e maggiore resistenza alla radiazione ultravioletta, contribuendo così a migliorare le prestazioni complessive dei moduli.
La risposta dei ricercatori Enea
In questa direzione si inserisce un’importante ricerca dell’Enea, che ha sviluppato un particolare film per celle fotovoltaiche. Si tratta di materiali plastici incapsulanti a base di poliolefine altamente trasparenti ai raggi UV, che permettono di sfruttare l’intero spettro solare.
Questa scoperta migliorerebbe l’affidabilità e la durabilità dei pannelli. Nelle sperimentazioni, condotte dal Laboratorio Dispositivi Innovativi del Centro Ricerche Enea di Portici, sono stati valutati degradazione e prestazioni di mini dispositivi fotovoltaici con diversi film tramite un processo di invecchiamento rapido, con le analisi che hanno mostrato differenze nella perdita di corrente di cortocircuito. I ricercatori che hanno contribuito allo studio sono Valeria Fiandra, Lucio Sannino, Concetta Andreozzi e Antonella De Maria.
«Le analisi hanno evidenziato differenze marcate nella perdita di corrente di cortocircuito, ossia la massima corrente che il pannello può erogare quando è completamente esposto alla luce», spiega Valeria Fiandra, ricercatrice del Laboratorio Dispositivi Innovativi del Dipartimento Enea Tecnologie energetiche e fonti rinnovabili e coautrice dello studio.
«Ad esempio, il dispositivo realizzato con il materiale standard EVA ha mostrato una perdita dell’1,4%, segnalando una degradazione più marcata rispetto a quello incapsulato con la poliolefina elastomerica, che ha registrato una perdita leggermente inferiore, pari all’1,1%».
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I risultati
Il risultato più promettente è stato ottenuto dalla poliolefina termoplastica (TPO), che ha evidenziato un degrado minimo, pari allo 0,2%, confermandosi il più resistente all’esposizione ai raggi UV tra i tre materiali testati. La TPO è una macromolecola termoplastica, cioè un materiale che può essere lavorato più volte senza subire alterazioni chimiche significative o degradazioni irreversibili della sua struttura.
Può essere ammorbidito e fuso con il calore, e poi solidificato di nuovo mediante raffreddamento perché non forma legami chimici permanenti. Questa caratteristica lo rende riciclabile, a differenza dell’EVA che, una volta reticolato, non può essere riutilizzato.
La POE è invece costituita prevalentemente da atomi di carbonio e idrogeno, che le conferiscono una notevole stabilità chimica e termica, con una minore tendenza al degrado, allo scolorimento e alla perdita di trasparenza nelle condizioni operative reali. Non si deteriora facilmente in presenza di calore, luce solare o umidità.
EVA è invece l’incapsulante più comunemente utilizzato nella fabbricazione dei pannelli solari grazie alla sua elevata trasparenza, buona resistenza alla radiazione UV, eccellente adesione al vetro e alle celle solari e al basso tasso di trasmissione del vapore acqueo.
Tuttavia, la presenza del gruppo acetato nella sua struttura molecolare, assente negli altri due materiali analizzati, rappresenta un punto debole. Durante l’invecchiamento, infatti, porta alla formazione di acido acetico, con effetti negativi quali corrosione dei componenti metallici, propagazione del degrado e, soprattutto, una progressiva riduzione dell’efficienza dei pannelli solari.
«Sebbene gli incapsulanti a base di poliolefine siano già disponibili sul mercato da alcuni anni, mancavano finora verifiche sperimentali sul loro comportamento a lungo termine all’interno di moduli fotovoltaici reali», aggiunge Valeria Fiandra. «In effetti, formulare un materiale che sia al tempo stesso trasparente ai raggi UV e resistente alla degradazione chimica rappresenta una sfida complessa, sia per la comunità scientifica che per l’industria».
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Prevenire l’invecchiamento
Oggi, per prevenire l’invecchiamento e il degrado delle celle fotovoltaiche e dei materiali di rivestimento, gli incapsulanti sono progettati per filtrare i raggi UV della luce solare prima che raggiungano le celle. Nella loro formulazione vengono infatti aggiunti agenti assorbenti, i raggi UV ed antiossidanti, che migliorano significativamente la stabilità dei film incapsulanti nei confronti della radiazione ultravioletta che è presente sempre, anche durante giornate nuvolose o nebbiose.
Tuttavia, spiega l’Enea, questo approccio presenta un rovescio della medaglia: la minore quantità di luce UV che raggiunge le celle si traduce in una riduzione della potenza generata dal modulo.
Per questo l’attività di ricerca Enea prosegue con l’obiettivo di aumentare l’assorbimento della luce delle celle solari sfruttando le proprietà di fluorescenza di alcuni materiali. In particolare, sono in corso di realizzazione coating superficiali di film a base di poliolefine, con materiali in grado di assorbire la luce incidente e riemetterla con una lunghezza d’onda più adatta all’assorbimento della cella fotovoltaica.
Per consultare i risultati, è possibile accedere alla ricerca New high UV transparency PV encapsulants: Properties and degradation after accelerated UV aging tests
