1. Introduzione ai materiali dei pannelli fotovoltaici
I pannelli fotovoltaici utilizzano una vasta gamma di materiali specifici per garantire efficienza e durabilità. Ogni componente, dal vetro di copertura alle celle, dagli incapsulanti ai rivestimenti, svolge un ruolo essenziale nel determinare le prestazioni complessive del modulo.
In questo articolo esploreremo nel dettaglio i materiali che compongono i pannelli fotovoltaici, analizzando come ciascun elemento contribuisca all’efficienza, alla durabilità e all’impatto ambientale complessivo dei moduli solari.
2. Componenti principali di un pannello fotovoltaico
Un pannello fotovoltaico è un sistema complesso costituito da più strati di materiali progettati per lavorare in sinergia, garantendo conversione efficiente della luce solare, resistenza meccanica e protezione nel tempo.
Ogni componente ha una funzione specifica:
1. Vetro di copertura
Il vetro di copertura ha il compito di proteggere le celle fotovoltaiche dagli agenti atmosferici mantenendo un’elevata trasmissione della luce. Viene impiegato vetro temperato low-iron ad alta trasmissione, con spessore commerciale compreso tra 3,2 e 4 mm, capace di resistere a grandine, vento e variazioni termiche. La presenza di rivestimenti antiriflesso e idrofobici permette di aumentare la produttività del modulo dal 2% al 6%, migliorando la raccolta luminosa e riducendo l’accumulo di sporco.
2. Celle fotovoltaiche
Costituiscono il cuore del modulo, dove l’energia solare viene trasformata in elettricità. Sono realizzate principalmente in silicio cristallino (monocristallino o policristallino), con efficienze che variano tra il 15% e il 24%, a seconda della tecnologia impiegata (PERC, TOPCon, HJT, IBC). Nei moduli thin-film vengono invece utilizzati semiconduttori alternativi come CdTe, CIGS o a-Si.
3. Materiali incapsulanti (EVA e POE)
Gli strati incapsulanti proteggono le celle da urti, vibrazioni e umidità. L’EVA (etilene-vinil-acetato) è il materiale più diffuso per le sue ottime proprietà adesive e la resistenza all’invecchiamento. In alternativa, il POE (poliolefina elastomerica) offre una barriera superiore contro l’umidità e una maggiore stabilità elettrica, riducendo il rischio di fenomeni di degradazione come PID (Potential-Induced Degradation) e LID (Light-Induced Degradation).
4. Backsheet o strato posteriore
Il backsheet è un film polimerico multistrato — spesso composto da PVF (Tedlar), PET o film fluorurati — che fornisce isolamento elettrico e barriera all’umidità. È un elemento determinante per la durata del modulo, poiché protegge la parte interna da infiltrazioni d’acqua e variazioni termiche.
5. Struttura meccanica e telaio
Il telaio, generalmente in alluminio anodizzato, garantisce rigidità, fissaggio e resistenza ai carichi di neve e vento. Le viti e i fissaggi sono in acciaio inossidabile, scelti per evitare fenomeni di corrosione.
6. Junction box e connettori
La junction box è il punto di raccolta delle connessioni elettriche, dotata di diodi di bypass che prevengono i fenomeni di “hot-spot” e migliorano l’affidabilità del modulo in caso di ombreggiamento. Questi componenti devono rispettare standard di protezione IP65/IP67 e resistere a temperature operative tra −40 °C e +85 °C, oltre che ai raggi UV.
3. Vetro di copertura e rivestimenti superficiali
Il vetro di copertura rappresenta il primo elemento di protezione e al tempo stesso una componente ottica fondamentale di ogni modulo fotovoltaico. La sua funzione è duplice: proteggere le celle dagli agenti esterni e favorire la massima trasmissione della luce solare verso lo strato attivo del pannello.
Per questo motivo, i produttori impiegano vetro temperato low-iron, caratterizzato da un basso contenuto di ferro e da un’elevata trasmittanza ottica. Questa tipologia di vetro assicura un’eccellente resistenza a urti, neve, grandine e shock termici, mantenendo nel tempo la stabilità meccanica del modulo.
Oltre alle proprietà intrinseche del vetro, un ruolo cruciale è svolto dai rivestimenti superficiali (coating), che determinano parte significativa delle prestazioni ottiche e della resistenza all’invecchiamento. I più comuni sono:
- Rivestimenti antiriflesso a base di SiNx (nitruro di silicio), SiO₂ (biossido di silicio) o altri ossidi metallici.
- Rivestimenti antigraffio che proteggono la superficie da abrasioni dovute a polvere e pulizia.
- Trattamenti idrofobici e anti-soiling, progettati per impedire l’accumulo di sporco, acqua e residui minerali, mantenendo la trasparenza del vetro e riducendo la necessità di manutenzione.
- Coating a banda larga, in grado di ottimizzare la risposta del modulo su una gamma più ampia di lunghezze d’onda, migliorando la resa in condizioni di luce diffusa o angoli di incidenza elevati.
L’integrazione di questi trattamenti superficiali consente ai moduli moderni di mantenere prestazioni più stabili nel tempo e di ridurre l’impatto delle condizioni ambientali sulla potenza erogata.
4. Materiali delle celle fotovoltaiche: tipi di silicio e thin-film
Le celle fotovoltaiche costituiscono il cuore del modulo solare: sono il punto in cui l’energia luminosa si trasforma in energia elettrica grazie all’effetto fotovoltaico. Il materiale semiconduttore impiegato in questa conversione — nella maggior parte dei casi il silicio — determina in modo decisivo l’efficienza, il costo e la durata del pannello.
Silicio cristallino: la tecnologia dominante
Il silicio cristallino rappresenta oggi la tecnologia più diffusa a livello mondiale e comprende due varianti principali:
- Silicio monocristallino (mono-Si): ottenuto da un singolo cristallo di silicio, offre una struttura ordinata che consente un’alta efficienza di conversione, tipicamente compresa tra 19% e 23%.
- Silicio policristallino (poly-Si): costituito da cristalli multipli solidificati insieme, presenta un’efficienza inferiore — tra 15% e 18% — ma un processo produttivo meno costoso e una buona stabilità operativa.
Evoluzione tecnologica delle celle in silicio
L’evoluzione delle celle ha portato a un notevole incremento di efficienza grazie a nuove architetture di contatto e passivazione:
- PERC (Passivated Emitter Rear Cell): migliora la riflessione interna e la raccolta dei fotoni, aumentando l’efficienza rispetto alle celle standard.
- TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact): introduce strati di ossido tunnel e silicio policristallino per ridurre la ricombinazione dei portatori e migliorare la resa fino al 22–24%.
- HJT (Heterojunction): combina silicio cristallino e amorfo, raggiungendo efficienze commerciali superiori al 24%, con eccellente comportamento termico.
- IBC (Interdigitated Back Contact): sposta i contatti elettrici sul lato posteriore della cella, aumentando la superficie attiva esposta alla luce e portando l’efficienza dei moduli fino al 25%.
Queste tecnologie hanno permesso di ridurre le perdite di ricombinazione, migliorare la risposta spettrale e aumentare la densità di potenza dei moduli.
Materiali thin-film: CdTe, CIGS e a-Si
Accanto alle celle in silicio, si sviluppano da anni le tecnologie thin-film, basate su semiconduttori alternativi depositati in strati sottilissimi. I principali materiali utilizzati sono:
- CdTe (Tellururo di Cadmio): alta resa in condizioni di luce diffusa, ma problematiche ambientali dovute alla presenza di cadmio.
- CIGS (Rame-Indio-Gallio-Selenio): offre buone efficienze, flessibilità e un coefficiente di temperatura migliore rispetto al silicio, risultando ideale per applicazioni architettoniche o superfici curve.
- a-Si (Silicio amorfo): utilizza quantità minime di materiale e consente moduli leggeri, ma con efficienze inferiori (6–10%) e maggiore degradazione nel tempo.
I moduli thin-film si distinguono per il minor consumo di silicio, la flessibilità meccanica e i costi produttivi ridotti, ma richiedono ulteriori miglioramenti per competere in efficienza e riciclabilità con le tecnologie cristalline.
5. Materiali conduttivi e tecniche di interconnessione
La rete di connessioni elettriche all’interno di un modulo fotovoltaico è fondamentale per garantire il corretto trasporto della corrente generata dalle celle e minimizzare le perdite resistive.
Metallizzazione frontale e posteriore
Nella metallizzazione frontale, utilizzata per realizzare le griglie conduttive sulle celle, si impiegano paste d’argento con un consumo medio indicativo tra 0,1 e 0,15 g/W. L’argento assicura ottima conducibilità e stabilità nel tempo, ma il suo costo elevato ha spinto l’industria verso tecniche di riduzione del contenuto di argento e l’introduzione di soluzioni alternative a base di rame.
Sul lato posteriore, vengono spesso utilizzate paste d’alluminio o contatti in rame, che garantiscono una buona conduzione e resistenza meccanica, contribuendo alla riflessione interna della luce non assorbita.
Le ricerche più recenti si concentrano su metallizzazioni ibride, in cui la stampa a getto d’inchiostro, la placcatura galvanica o i processi laser sostituiscono la serigrafia tradizionale, riducendo il consumo di metallo prezioso e migliorando la precisione dei contatti.
Busbar, ribbons e configurazioni avanzate
Le busbar (barre collettrici) e i ribbons (nastri conduttivi) sono realizzati prevalentemente in rame stagnato o rivestito, materiali scelti per la loro ottima conducibilità e la resistenza all’ossidazione.
Nel corso del tempo, l’evoluzione tecnologica ha portato all’adozione di configurazioni sempre più complesse:
- 2–5 busbar tradizionali: schema standard dei moduli di generazione precedente.
- Multi-busbar (MBB, fino a 12+ linee): riduce la distanza media percorsa dagli elettroni, abbattendo le perdite resistive e migliorando la raccolta della corrente.
- Half-cut cells: le celle sono tagliate a metà per dimezzare la corrente per percorso e diminuire le perdite ohmiche.
- Shingled cells: celle sovrapposte come tegole, senza busbar visibili, che eliminano gli spazi morti e aumentano la superficie attiva.
6. Materiali strutturali: telaio e componenti meccanici
La struttura meccanica di un pannello fotovoltaico è progettata per garantire rigidità, resistenza e durata nel tempo. Oltre a sostenere i vari strati del modulo — vetro, celle, encapsulante e backsheet — deve resistere a condizioni ambientali severe come vento, neve, variazioni termiche e vibrazioni, mantenendo nel tempo la perfetta integrità del sistema.
Telai in alluminio anodizzato
Il telaio in alluminio anodizzato è oggi la soluzione più diffusa nei moduli fotovoltaici grazie al suo eccellente rapporto tra peso, resistenza e durabilità. L’alluminio è leggero, non soggetto a corrosione galvanica e facilmente riciclabile. Il processo di anodizzazione ne aumenta la resistenza all’ossidazione e migliora l’aderenza dei sigillanti e delle guarnizioni.
Fissaggi e giunzioni
I fissaggi meccanici, come viti, morsetti e supporti, sono generalmente realizzati in acciaio inossidabile, un materiale che assicura alta resistenza meccanica e protezione contro la corrosione, specialmente in impianti esposti ad ambienti salini o industriali.
7. Materiali incapsulanti e backsheet
Gli incapsulanti e il backsheet costituiscono la parte interna e posteriore del modulo fotovoltaico, responsabili della protezione meccanica, elettrica e ambientale delle celle.
Questi materiali devono assicurare la massima adesione tra gli strati del pannello, garantire isolamento elettrico, e mantenere la trasparenza e la flessibilità necessarie per assorbire le sollecitazioni termiche e meccaniche.
Incapsulanti: EVA e POE
Il materiale più utilizzato è l’EVA (Etilene-Vinil-Acetato), apprezzato per le sue proprietà adesive, la trasparenza ottica e la capacità di resistere alle condizioni ambientali. L’EVA rappresenta un compromesso efficace tra costo e prestazioni, fungendo da cuscinetto protettivo per le celle e riducendo gli stress meccanici dovuti alla dilatazione termica.
Tuttavia, con l’esposizione prolungata a calore e umidità può manifestare fenomeni di ingiallimento e delaminazione, soprattutto in ambienti molto umidi o tropicali.
Per questo motivo, si sta diffondendo l’impiego del POE (Poliolefina Elastomerica), un materiale più avanzato che offre una resistenza superiore all’umidità e una riduzione significativa del rischio di degradazione PID (Potential-Induced Degradation).
Backsheet: isolamento e protezione
Il backsheet è lo strato posteriore del modulo e ha il compito di isolare elettricamente le celle e proteggere il sistema dall’umidità, dai raggi UV e dalle sollecitazioni meccaniche. È generalmente composto da film polimerici multistrato, spesso basati su:
- PVF (Polyvinyl Fluoride, noto come Tedlar): materiale storico, con ottima resistenza ai raggi UV e lunga durata.
- PET (Polietilene Tereftalato): soluzione più economica, spesso combinata con strati barriera o fluorurati per migliorarne la stabilità.
- Film fluorurati (PVDF, ECTFE): impiegati nei moduli ad alta durabilità o per ambienti estremi, grazie alla loro eccellente resistenza alla degradazione e agli agenti chimici.
8. Junction box, connettori e diodi di bypass
La junction box è responsabile della raccolta e della connessione elettrica delle stringhe di celle. Collocata nella parte posteriore del modulo, consente di convogliare la corrente prodotta verso l’esterno in modo sicuro, garantendo la protezione del sistema da sovratensioni, dispersioni e fenomeni termici localizzati.
Funzioni e caratteristiche della junction box
La junction box ospita i diodi di bypass, dispositivi che permettono di evitare la formazione di hot-spot quando una o più celle risultano parzialmente ombreggiate o danneggiate. Questi diodi creano percorsi alternativi per la corrente, impedendo che la cella ombreggiata diventi un punto di dissipazione termica e potenziale causa di degrado.
Connettori e cablaggi
I connettori fotovoltaici, spesso di tipo MC4 o equivalenti, rappresentano l’interfaccia elettrica tra i moduli e l’impianto. Devono assicurare una connessione stabile, a bassa resistenza e resistente nel tempo.
Sono costruiti in materiali termoplastici con guarnizioni in elastomeri, che assicurano la tenuta contro acqua e polvere, e in rame stagnato o argentato per le parti conduttive, al fine di mantenere bassa la resistenza di contatto e ridurre le perdite.
9. Nuovi sviluppi nei materiali fotovoltaici
Negli ultimi anni, la ricerca sui materiali per pannelli fotovoltaici ha conosciuto una forte accelerazione, spinta dalla necessità di aumentare l’efficienza, ridurre i costi e migliorare la sostenibilità ambientale.
Oltre al silicio cristallino, che domina ancora il mercato, sono emerse nuove tecnologie basate su perovskiti, celle tandem e materiali thin-film avanzati, con potenzialità notevoli ma anche sfide ancora aperte in termini di stabilità e produzione su larga scala.
Perovskiti: alte efficienze, nuove sfide
Le celle a perovskite rappresentano oggi una delle frontiere più promettenti del fotovoltaico. In laboratorio, hanno raggiunto efficienze superiori al 25% in configurazione a singola cella e oltre 29–30% in architetture tandem silicio-perovskite.
Il loro successo deriva dalla capacità di assorbire efficacemente la luce solare su un ampio spettro, con uno spessore attivo di pochi micron, e da processi di fabbricazione potenzialmente più economici rispetto al silicio.
Tuttavia, le perovskiti presentano ancora criticità legate alla stabilità nel tempo, alla degradazione sotto umidità, radiazione UV e infrarossa, e alla presenza di piombo in molte formulazioni, che ne limita la compatibilità ambientale.
Celle tandem e multigiunzione
Le celle tandem combinano più materiali semiconduttori per sfruttare diverse porzioni dello spettro solare, aumentando l’efficienza complessiva. Le configurazioni più promettenti includono:
- Silicio-perovskite, che unisce la maturità tecnologica del silicio con la flessibilità ottica della perovskite.
- Celle III-V su silicio, basate su materiali come GaAs, InP o GaInP, capaci di raggiungere efficienze di laboratorio tra il 30% e il 40%.
Queste tecnologie, tuttavia, presentano ancora costi elevati e processi produttivi complessi, che ne limitano l’applicazione a settori speciali come l’aerospaziale o i sistemi fotovoltaici concentrati (CPV).
Thin-film avanzati e soluzioni flessibili
Le nuove generazioni di moduli thin-film — basati su materiali come CIGS, CdTe e versioni ibride di perovskite — offrono una maggiore flessibilità meccanica, un coefficiente di temperatura più favorevole e una riduzione del peso rispetto ai moduli in vetro tradizionali.
Queste caratteristiche li rendono ideali per applicazioni su superfici curve, facciate o strutture leggere, in particolare nel settore BIPV (Building Integrated Photovoltaics), dove l’aspetto estetico e architettonico è un fattore determinante.
Nonostante un’efficienza inferiore rispetto ai moduli in silicio cristallino, i thin-film avanzati si distinguono per la versatilità, la rapidità di installazione e il potenziale di integrazione in prodotti edilizi, come vetri intelligenti o coperture fotovoltaiche.
10. Sfide di stabilità e durabilità nei nuovi materiali
L’introduzione di nuovi materiali fotovoltaici come le perovskiti e le celle tandem ha aperto prospettive di efficienza mai raggiunte prima, ma ha anche portato con sé sfide complesse legate alla stabilità chimica, meccanica e ambientale.
A differenza del silicio, che ha ormai una maturità industriale consolidata, queste nuove tecnologie richiedono strategie di protezione e incapsulamento più avanzate per garantire prestazioni durature nel tempo.
Degradazione e meccanismi di instabilità
Le principali cause di degrado nei nuovi moduli riguardano la sensibilità dei materiali perovskitici all’umidità, alla radiazione UV e alle alte temperature. L’esposizione prolungata all’ambiente può provocare fenomeni di:
- decomposizione chimica delle perovskiti in composti non fotattivi,
- migrazione ionica tra gli strati, che altera la distribuzione delle cariche,
- delaminazione dovuta a espansioni termiche non uniformi,
- corrosione elettrochimica dei contatti metallici.
Per mitigare questi effetti, la ricerca sta puntando su una combinazione di protezione fisica e chimica attraverso nuovi materiali e processi di produzione.
La sfida principale non è solo raggiungere alte efficienze in laboratorio, ma garantire la stabilità a lungo termine in condizioni reali di esercizio. L’obiettivo del settore è sviluppare moduli che mantengano oltre l’85–90% della potenza iniziale dopo 25–30 anni, come avviene oggi per i moduli in silicio.
Per raggiungerlo, sarà necessario combinare innovazione nei materiali, controllo dei processi produttivi e standard di test accelerati sempre più rigorosi.
