Come sono fatti i pannelli solari?

Un nuovo progetto solare è stato appena installato negli Stati Uniti.

Imposta un timer per 60 secondi e attendi. Magari fai un passo fuori e prendi un po' di sole.

Zing!: un altro progetto solare è stato appena installato.

Il sole splende sull’industria solare; i numeri sono impressionanti. Oggi, secondo la Solar Energy Industries Association (SEIA), negli Stati Uniti la capacità solare è sufficiente ad alimentare l’equivalente di 23 milioni di case. Si tratta di 126 gigawatt (GW), provenienti da milioni di sistemi solari in tutto il paese.

L’industria solare statunitense valeva 33 miliardi di dollari nel 2021, impiegava più di 230.000 persone e continuava a crescere in termini di capacità energetica a un tasso medio del 33% all’anno.

I pannelli solari hanno generato quasi il 4% dell’elettricità negli Stati Uniti nel 2021, rispetto a meno dell’1% nel 2015. In alcuni luoghi tale cifra è molto più elevata; ad esempio, nel 2021 il 17% della produzione di elettricità della California proveniva dal solare. Quasi la metà di tutta la nuova capacità energetica aggiunta alla rete statunitense nel 2021 proveniva dal solare. Ancora più incoraggiante è il fatto che entro il 2030 l’industria solare mira a generare quasi un terzo dell’elettricità statunitense.

Con così tanti pannelli solari previsti per i prossimi anni, forse ti starai chiedendo: cosa sono esattamente i pannelli solari e come sono realizzati?

Esistono due tipi di tecnologia solare per la produzione di elettricità. I più comuni sono i pannelli o moduli fotovoltaici (PV), che utilizzano la luce del sole per produrre elettricità. Un'altra tecnologia, l'energia solare a concentrazione (CSP), utilizza invece il calore del sole.

Il tipo più comune di pannello fotovoltaico è realizzato utilizzando silicio cristallino (c-SI). Secondo il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, questa tecnologia rappresenta l’84% dei pannelli solari statunitensi. Altri tipi includono tellururo di cadmio, pannelli di (di)seleniuro di rame indio gallio e silicio amorfo a film sottile. Poiché i pannelli c-SI costituiscono la maggior parte del mercato statunitense e globale, in questo blog mi concentrerò su di essi.

Costruire un pannello solare in silicio cristallino è un po’ come costruire un castello di sabbia, perché il silicio viene dalla sabbia! La sabbia della spiaggia è costituita da biossido di silicio, ovvero silice. (Se la pattuglia della spiaggia lo mettesse su un segnale di avvertimento, scommetto che nessuno metterebbe piede sulla spiaggia!). Il silicio, sotto forma di biossido di silicio, sabbia e ghiaia, è il secondo elemento più abbondante sulla Terra, dopo l'ossigeno.

Prima di essere utilizzato in un pannello solare, il biossido di silicio deve essere trasformato in puro "silicio metallurgico" (MGS). Questo processo consuma molta energia: produrre 1 chilogrammo di silicio di grado metallurgico richiede 14-16 kWh di potenza, che equivale più o meno a utilizzare il forno di casa per sette ore. Tuttavia, nel corso della loro vita, i pannelli solari emettono 25 volte meno anidride carbonica equivalente per kilowattora rispetto all’elettricità alimentata a carbone.

Pausa chimica! La ricetta per cucinare il silicio di grado metallurgico è

Aggiungere 1 parte di biossido di silicio (ghiaia) e 2 parti di carbonio (proveniente da carbone, carbone o trucioli di legno) a un forno ad arco elettrico

Alza la temperatura fino a 2200 gradi Celsius (questo è un terzo della temperatura del sole!!)

Ta-da! Ti rimangono silicio puro al 99% e monossido di carbonio (proveniente dal carbonio che abbiamo aggiunto, legato all'ossigeno che abbiamo rimosso dal biossido di silicio)

Ma i pannelli solari sono perfezionisti; richiedono che il silicio abbia una purezza vicina al 100%. Per raggiungere questo obiettivo, dobbiamo trasformare il silicio in un metallo di polisilicio ancora più puro utilizzando un processo che coinvolge acido cloridrico e idrogeno gassoso. (Fatto curioso: circa il 12% della produzione mondiale di silicio viene attualmente trasformato in polisilicio per pannelli solari.)

Dopo aver aggiunto l'acido e il gas, ci rimangono pezzi di polisilicio metallico, che in genere vengono nuovamente fusi in uno stampo cilindrico lungo circa 5 metri. Il boro viene aggiunto per conferire al metallo una carica elettrica positiva su un lato. Il silicio caldo e fuso si raffredda e forma una struttura monocristallina ("monocristallina") come un lingotto cilindrico. I lingotti sono qualsiasi materiale fuso in una forma rettangolare, come lingotti d'oro.

(Un altro processo viene utilizzato per produrre wafer di silicio "policristallino", in cui si formano più cristalli. Questo processo tende a portare a pannelli meno efficienti ma può ridurre il costo dei wafer.)