L’evoluzione dei pannelli fotovoltaici: una storia lunga oltre due millenni

La rivoluzione solare: l’evoluzione dei pannelli fotovoltaici, dai primi esperimenti all’avanzata tecnologia moderna

Secondo l’Agenzia Internazionale dell’Energia (IEA), entro la fine 2023 le energie rinnovabili registreranno un aumento record della capacità installata per la produzione di energia elettrica, superando i 440 GW di potenza e arrivando a una capacità complessiva di 4.500 GW a livello mondiale. In particolare, l’IEA stima che l’energia solare fotovoltaica rappresenterà i due terzi di questo aumento, garantendo, entro il 20230, un incremento della capacità sufficiente per raggiungere l’obiettivo emissioni nette zero fissato dall’Unione Europea per il 2050.

Il fotovoltaico si conferma quindi una tecnologia destinata a giocare un ruolo chiave per la transizione energetica e la decarbonizzazione in Italia, in particolare per quanto riguarda la riduzione di emissioni di gas a effetto serra provocate dalla produzione di energia elettrica. I risultati raggiunti oggi sono il frutto di oltre due millenni di studi, ricerche e innovazioni, che hanno portato allo sviluppo dei moderni pannelli fotovoltaici in silicio e consentiranno in futuro la realizzazione di nuovi moduli ancora più efficienti e sostenibili.

Gli albori dell’energia solare: da Archimede a Leonardo Da Vinci

L’energia solare ha una storia molto lunga, infatti fin dall’antichità gli esseri umani cercarono di capire come sfruttare la luce del sole per diversi scopi e finalità. Un primo utilizzo dell’energia solare risalirebbe, secondo il mito, addirittura al 212 a.C. In occasione dello scontro fra greci e romani, il celebre inventore Archimede avrebbe messo a punto un ingegnoso strumento di difesa militare costituito da un sistema di specchi a concentrazione. Questi ultimi, sfruttando la forma parabolica per far convergere i raggi del sole contro uno specifico bersaglio, gli avrebbero permesso di incendiare le navi della flotta romana che assediavano la città di Siracusa.

L’invenzione di Archimede appartiene probabilmente alla sfera del leggendario tuttavia ci sono molte attestazioni in merito agli studi dei Romani sulle prime applicazioni dell’energia solare. Un esempio è certamente la realizzazione, intorno al 37 d.C., di una serra in vetro che consentiva la coltivazione in serra delle piante sfruttando l’energia del sole sotto forma di sole. Nei secoli successivi proseguirono gli esperimenti per utilizzare la radiazione solare per riscaldare gli ambienti interni. Nel X secolo lo scienziato Ibn al-Haytham spiegò come fosse possibile concentrare i raggi solari in un punto usando una sfera trasparente nel suo “Libro dell’ottica”, fornendo quindi una prima spiegazione del fenomeno della rifrazione della luce.

Un contributo importante è arrivato anche da Leonardo Da Vinci, con lo scienziato, inventore e artista italiano che nel XVI secolo realizzò delle bozze di uno specchio per asciugare i tessuti, con dei disegni che mostravano il funzionamento di un sistema di parabole che concentravano la luce solare producendo calore. Nel XVIII secolo, invece, il chimico francese Antoine-Laurent de Lavoisier realizzò un impianto che sfruttava la concentrazione dei raggi solari inventando una fornace solare per la lavorazione del platino.

I primi prototipi di pannelli solari fotovoltaici

Il primo prototipo di pannello solare venne inventato da Horace de Saussure nel 1700 in Svizzera, con lo scienziato che mise a punto il primo collettore solare, un forno solare che consentiva di raggiungere una temperatura interna di 109°C. Nel 1799, invece, Alessandro Volta fornì un contributo fondamentale per lo sviluppo dei moderni sistemi di accumulo degli impianti fotovoltaici di oggi dotati di batterie, attraverso una serie di studi sulla corrente elettrica continua e la pila.

Nel 1839 il fisico francese Antoine Henri Becquerel scoprì che alcuni materiali sono in grado di generare corrente elettrica se esposti alla luce solare, introducendo il fenomeno dell’effetto fotovoltaico. Questo fenomeno venne studiato anche da Richard Evans e William G. Adams, che realizzarono importanti studi sull’effetto fotovoltaico applicato al selenio. Nel 1879 si riuscì finalmente a convertire l’energia solare in elettricità, con la creazione del primo pannello solare fotovoltaico al mondo ad opera di Charles Fritts negli Stati Uniti.

Come funzionano i moderni pannelli fotovoltaici in silicio

I primi moduli fotovoltaici moderni vennero messi a punto nel 1955 negli Stati Uniti, quando nei Bell Laboratories venne sviluppata la prima cella fotovoltaica in silicio. A partire dal 1958 questa tecnologia venne ampiamente usata dalla Nasa per i progetti spaziali, per esempio dotando il velivolo Vanguard I di un sistema di alimentazione a celle solari fotovoltaiche. È stato proprio il settore aerospaziale a dare un contributo fondamentale allo sviluppo della tecnologia solare fotovoltaica.

Ma come funziona il fotovoltaico al giorno d’oggi? I moderni impianti proposti da aziende specializzate come Sorgenia, la green-tech energy company italiana che mette a disposizione soluzioni per l’efficienza energetica, sono costituiti da pannelli in silicio monocristallino realizzati con silicio di grado solare puro al 99,9%. Si tratta della materia prima con cui sono prodotte le celle fotovoltaiche, un ottimo semiconduttore che, sottoposto ad appositi processi industriali per aumentarne la conducibilità, è in grado di sfruttare la radiazione solare per produrre corrente elettrica.

Questo processo avviene attraverso l’assorbimento della luce solare da parte delle celle fotovoltaiche in silicio, con i fotoni – le particelle della luce – che entrano in contatto con la cella rilasciando un elettrone che consente di produrre elettricità. I pannelli solari sono dotati di numerose celle fotovoltaiche collegate tra loro da conduttori metallici, in questo modo sono in grado di produrre una quantità maggiore di energia elettrica.

Poiché i moduli generano corrente elettrica continua, ma gli impianti elettrici funzionano con la corrente alternata, gli impianti fotovoltaici sono dotati di un inverter, un dispositivo che serve per commutare la corrente continua in corrente alternata. In questo modo è possibile usare l’energia elettrica prodotta dai moduli per alimentare gli elettrodomestici della casa, ricaricare le batterie del sistema di accumulo per immagazzinare l’elettricità non utilizzata, oppure per immettere l’energia elettrica nella rete esterna.

Lo sviluppo dell’energia solare oggi

Secondo i dati del GSE (Gestore Servizi Energetici), al 31 marzo 2023 sono stati rilevati 1.329.000 impianti fotovoltaici in Italia, con un aumento dell’8,4% rispetto a dicembre 2022 confermando il trend di crescita degli ultimi anni. Complessivamente, nel nostro Paese è stata installata una potenza fotovoltaica di 26.157 MW, anch’essa in aumento del 4,4% rispetto al 31 dicembre 2022, con una produzione lorda tra gennaio e marzo 2023 di 5.587 GWh di energia elettrica pulita.

Per comprendere l’entità della diffusione dell’energia solare in Italia, è sufficiente tenere conto del fatto che nel 2010 c’erano meno di 161 mila impianti fotovoltaici, per una potenza installata di appena 3.592 MW e una produzione annuale di 1.906 GWh. Nel 2022 si è invece arrivati a 1.225.431 impianti con una potenza totale di 25.063 MW e una produzione di 28.121 GWh. La maggior parte degli impianti installati ha una potenza compresa fra 3 e 20 kW, con il Veneto che risulta la regione italiana con il maggior numero di installazioni fotovoltaiche – 179.089 a dicembre 2022.

Per quanto riguarda l’impatto dell’energia solare sul fabbisogno energetico nazionale, nel 2022 c’è stato il record del fotovoltaico. Secondo i dati di Terna, lo scorso anno gli impianti fotovoltaici in Italia hanno prodotto 28 TWh di energia elettrica, con un aumento del 12,3% rispetto al 2021. Complessivamente, le fonti rinnovabili di energia hanno coperto il 31,1% della domanda nazionale di elettricità, con il fotovoltaico che si è affermato come la principale fonte rinnovabile nel 2022 a causa del crollo dell’idroelettrico.

Le nuove frontiere dei pannelli fotovoltaici del futuro

La costante crescita dell’energia solare è possibile grazie all’innovazione tecnologica nel campo dei pannelli fotovoltaici, con lo sviluppo di nuovi moduli sempre più efficienti e con costi competitivi. Attualmente si sono raggiunti quasi i limiti di efficientamento dei pannelli in silicio, per questo motivo aziende e ricercatori stanno lavorando su nuovi materiali per mettere a punto i moduli fotovoltaici del futuro.

L’obiettivo non è solamente sviluppare pannelli più efficienti ma anche più sostenibili, così da impattare meno sull’ambiente anche con il processo di estrazione delle materie prime e con la produzione e lo smaltimento dei moduli. Tra i materiali oggetto di studio secondo il CNR è possibile annoverare i perovskiti di alogenuro metallico, la cui natura ibrida inorganica e organica permette di combinare varie proprietà tipiche di materiali diversi, tra cui l’elevata conducibilità elettrica e robustezza del silicio con la leggerezza e facilità di lavorazione dei materiali organici.

Un altro ambito sviluppo è quello del biofotovoltaico, con una ricerca italo-svizzera che ha ottenuto risultati promettenti attraverso l’inserimento di nanotubi fluorescenti nei cianobatteri, uno dei trend più innovativi nella ricerca applicata al fotovoltaico.