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La prima conferenza internazionale dell’Associazione europea dell’industria fotovoltaica (Epia) sulla tecnologia del film sottile (13 novembre 2008 a Monaco) ha visto la partecipazione di 350 esperti del settore. Senz’altro un notevole progresso rispetto al workshop organizzato nel 2005 che vide il coinvolgimento di sole quindici aziende.
Negli ultimi anni l’interesse verso il film sottile è aumentato notevolmente anche come conseguenza dell’aumento del prezzo del silicio e per la sempre attuale esigenza di ridurre i costi il più possibile al fine di raggiungere presto una reale competitività sul mercato. A oggi, sono circa 150 le aziende che lavorano nel mercato del film sottile e alcune fonti stimano in 220 le aziende attive nelle diverse fasi dello sviluppo produttivo.
Secondo Epia, sono circa 40 le aziende che hanno già lanciato la propria produzione e molte altre sono in procinto di farlo nel corso del 2009. Arnulf Jäger-Waldau dell’Istituto per le fonti di energia rinnovabile presso il Centro di ricerche (Jrc) della Commissione Europea stima che nel 2007 erano almeno cinque le aziende che avevano iniziato la propria fase di lancio mettendo sul mercato i primi moduli. Oggi, sono 12 o 13 le aziende che offrono soluzioni che includono anche questa tecnologia e sono 82 quelle che hanno annunciato il lancio o l’espansione delle proprie capacità di produzione. Secondo Jäger-Waldau, 40 di queste aziende sono localizzate in Europa, 27 in Cina, 12 a Taiwan, 19 negli Stati Uniti e 8 in Giappone. L’obiettivo della conferenza di Epia era di prendere in considerazione la domanda crescente per i prodotti fotovoltaici e, in particolare, per le tecnologie inerenti il film sottile, registrata sui mercati europei e statunitensi.
Il prossimo obiettivo di Epia è quello di offrire una piattaforma di discussione per l’industria del film sottile a livello globale, con cinque temi principali da affrontare:
1. mercato e sviluppo della produzione;
2. tecnologie;
3. componenti adeguati per i grandi impianti;
4. investimenti nel settore
5. misure per la sostenibilità.
Produzione in crescita
Quanto il settore voglia crescere velocemente è dimostrato dall’analisi effettuata da Epia: una capacità di produzione di film sottile di circa 4 GW risulta già programmata per la fine del 2010. Ciò significa che la quota di mercato di tale tecnologia rispetto alla nuova capacità installata potrebbe raggiungere il 20% nel 2010, pari a 1,12 GW sul totale di 5,6 GW. Attualmente, i moduli a film sottile sono presenti sul mercato fotovoltaico con una quota di circa il 10%. La stima di Epia potrebbe essere considerata anche conservativa: in un recente studio effettuato dalla banca svizzera Sarasin, si afferma che ci si potrebbe attendere un mercato a livello mondiale nel 2010 pari a 8,25 GW, di cui 1,65 GW da film sottile. Alcune aziende prevedono addirittura fino a 10 GW nel 2010 e 16 GW nel 2012, principalmente in Europa, Cina, Taiwan, Giappone e Stati Uniti.
Sono molti a enfatizzare il grande potenziale di riduzione dei costi. Oerlikon, un’industria svizzera di tecnologie per la produzione di film sottile, stima che i moduli micromorfici tandem (formati da due celle associate di cui una in silicio amorfo e l’altra in silicio microcristallino) raggiungeranno nel 2010 un costo di fabbricazione di 0,7 US$/watt (contro gli attuali 1,5 per la produzione di moduli al silicio amorfo).
Anche stime più conservative prevedono una sostanziale riduzione dei costi per il film sottile. Michael Powalla del “Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff – Forschung” (ZSW) prevede che i costi di produzione per la tecnologia CIS scenderanno a 1,20 €/watt tra il 2008 e il 2013 (attualmente tale costo è oltre il doppio).
Mentre le tecnologie basate sul silicio si svilupperanno ancora di più, diventando meno costose grazie a tassi di produzione più elevati, questi moduli saranno appena in grado di tenere il passo con lo sviluppo dei film sottili. Secondo Erik Thorsen, l’amministratore delegato di Rec, un’azienda norvegese completamente integrata nelle varie fase di produzione dei moduli solari, punta a ridurre i costi di produzione per i moduli al silicio multi-cristallino del 50% e ad arrivare a un costo pari a circa 1,5 US$/watt entro il 2010.
Tuttavia, questi costi potrebbero rimanere ancora alti rispetto a quelli relativi a tecnologie come Cis o Cigs, le tipologie di film sottile al momento più costose. Winfried Hoffmann, Direttore del Gruppo Solar Business e membro del Consiglio di amministrazione del produttore Applied Materials (Usa), concorda che l’evoluzione delle diverse tecnologie sta progredendo velocemente e porterà a un taglio del 5-9% dei prezzi ogni anno e, contemporaneamente, a un aumento dell’efficienza energetica. Secondo Hoffmann, i principali vantaggi del film sottile risiedono nel basso costo per m2, nell’utilizzo della tecnologia Tft e nella creazione di moduli semitrasparenti e altamente flessibili. Il costo più basso per watt installato sarà raggiunto anche in concomitanza di un aumento dell’efficienza che potrebbe passare dall’8-12% di oggi al 10-15% nel 2010 e fino al 14-20% nel 2030. E’ opinione di Hoffmann che lo sviluppo del film sottile sia paragonabile all’evoluzione degli Lcd, ormai divenuti parte integrale delle tecnologie per le TV.
Bernhard Dimmler, amministratore delegato del Würth Elektronik Research GmbH, sussidiaria del Würth Solar GmbH & Co. KG, concorda sul fatto che il film sottile è diventato molto competitivo e detiene il più alto potenziale di riduzione dei costi tra tutte le tecnologie FV. Secondo la sua opinione, silicio amorfo e microcristallino, Tellururo di Cadmio (CdTe) e CIS – Cu(In,Ga)(Se,S) – sono i materiali con maggiore potenzialità di sviluppo. In particolare, spiega Dimmler, il CIS si caratterizza per un basso consumo di materia prima e di energia, ampia area di applicazione tecnologica, alto livello di automazione e alte rese in fase di applicazione. Questi evidenti vantaggi, continua Dimmler, fanno sperare che il film sottile riesca a coprire il 30% del mercato nel 2010, percentuale ben più alta rispetto alle capacità di produzione globale che la maggior parte degli esperti si aspetta. Riguardo i prezzi di vendita, Dimmler afferma: «Sono convinto che il film sottile potrà essere prodotto a un costo di fabbricazione totale inferiore a 1 €/watt e raggiungere un’efficienza del 14-16% entro il 2011/2012».
Il film sottile Vs silicio
Se tali aspettative si concretizzeranno, Arnulf Jäger-Waldau ritiene che la capacità produttiva del film sottile supererà i già alti tassi di crescita del FV: «Se il volume della produzione seguirà quanto pianificato, il film sottile ha la potenzialità di raggiungere l’obiettivo di costo di 1 €/watt entro la fine del decennio». Ma Jäger-Waldau ritiene anche che lo sviluppo del settore dipenderà molto dal sostegno pubblico: l’incertezza sui tempi per raggiungere gli incrementi delle capacità produttive e la disponibilità delle materie prime potrebbero rappresentare un freno all’espansione dei film sottili.
Come dichiara Benny Buller, Direttore della First Solar, leader nel mercato del film sottile, «è ambizioso pensare di mantenere questa posizione in futuro». Buller ritiene che First Solar raggiungerà la cosiddetta “grid parity”, ossia l’equivalenza tra il prezzo di acquisto dell’elettricità dalla rete e il costo di generazione dell’elettricità prodotta dall’impianto, grazie a un taglio dei costi del 50% entro il 2012 che consentirà di raggiungere per i propri sistemi un livello pari a 2,50 US$/watt (di conseguenza 0,08 US$ per kWh). Oggi il costo per i sistemi al silicio con un’efficienza del 13-14%, inclusi gli inverter (BOS) è di 3 US$/watt. I sistemi migliori della First Solar hanno un costo attuale di 3,25 € – moduli più inverter – con un’efficienza del 9%. I miglioramenti nell’efficienza nella tecnologia CdTe permetterà ulteriori riduzioni. Quando si parla del miglioramento di circa il 50% del rapporto US$/watt, lo si intende per il sistema complessivo, sia per i moduli, sia per gli inverter e, comunque, ci si aspetta un contemporaneo aumento dell’efficienza che dovrebbe andare oltre il 12%.
L’azienda prevede un aumento generale della produttività del 3% all’anno. Lo sviluppo a lungo termine di altre tecnologie a film sottile dipenderà dalla vendita dei moduli nei prossimi mesi. L’esperienza derivante dai moduli standard al silicio suggerisce che, a parte alcune eccezioni, questi moduli risultano affidabili per produrre elettricità per più di 20 anni. Per i moduli a film sottile, tuttavia, ci sono ancora pochi dati sul ciclo di vita. Alcune delle tipologie correntemente utilizzate devono ancora dimostrare la loro affidabilità nel tempo.
Garanzia di qualità
Tony Sample dell’Istituto per l’energia del Centro di ricerche (Jrc) della Commissione Europea ci chiarisce le procedure del test applicate dal Jrc per il settore del film sottile. Le qualifiche IEC 61646 e EN 61646 che indicano le diverse procedure del test per l’usura dei materiali sintetici nei moduli FV in base a diversi fattori temporali stabiliscono, per Sample, i requisiti necessari da adottare per il film sottile. I test tengono conto, in particolare, dell’usura dovuta all’esposizione solare, inclusa la radiazione UV, ai fattori climatici, come freddo, caldo e umidità, e a impatti meccanici, come quelli dovuti a grandine, vento, neve. Il test viene superato se non si presentano visibili danneggiamenti o perdita di efficienza.
Il certificato corrispondente alla IEC 61646 nel corso degli anni è diventato uno standard ampiamente accettato per i moduli FV cristallini e viene richiesto ormai dai principali programmi di finanziamento a livello nazionale e internazionale.
L’aggiornamento effettuato nel 2008 alla IEC 61646 ha comportato importanti modifiche come ad esempio l’introduzione del test per gli stress termici per i diodi di bypass, l’eliminazione del test di torsione e una modifica del test di carico meccanico a tre cicli. È stato inoltre eliminato il metodo di immersione dei lati del modulo – con applicata una tensione di 500 V – dal test per verificare le correnti di perdita quando il modulo è bagnato, rendendo i criteri di successo-insuccesso dei test per l’isolamento e le perdite da bagnato dipendenti dall’area del modulo. Questa revisione rende la certificazione applicabile per tutte le tecnologie a film sottile. Tuttavia, per calibrare la potenza del modulo alla fine della sequenza del test si impone anche una maggiore attenzione da parte dei laboratori che effettuano il test in rapporto alla precedente determinazione della potenza relativa.
«Lo standard non tiene in considerazione il comportamento a seguito di breve immersione di alcune tecnologie – in particolare il CIGS -, quindi potrebbe essere necessario effettuare alcuni test preliminari sulla stabilità della potenza dei moduli prima di procedere con la sequenza dei test previsti dalla seconda versione della IEC 61646» afferma Sample.
Dato che lo standard si basa sulla IEC 61215, non risulta chiaro se i fattori di accelerazione per l’invecchiamento delle apparecchiature al silicio cristallino possano essere applicati anche per i materiali a film sottile.
Quale sarà la tecnologia sul film sottile che verrà maggiormente utilizzata in futuro è uno dei temi in discussione tra gli esperti, conferma Roland Scheer, esperto sul solare all’Istituto Hahn-Meitner (HMI) di Berlino. «Alla fine – afferma Scheer – i prezzi decideranno tra le diverse tecnologie applicate oggi e nessuna presenta al momento limitazioni in termini di economia di scala».
Paula Mints, esperta di ricerche di mercato presso l’azienda statunitense Navigant, ha dichiarato: «il silicio amorfo ha l’efficienza più bassa, ma è la tecnologia che risulterà più attraente per alcuni clienti». L’efficienza è in media tra il 6,5 e il 7% e i costi intorno ai 2 US$/wattp. La maggior parte dei produttori che utilizzano silicio amorfo (a-Si) puntano sui moduli micromorfici tandem. Il Tellururo di Cadmio (CdTe), secondo la Mints, raggiunge invece i costi di fabbricazione più bassi (<1,75 US$/wattp), risulta più maneggiabile e detiene un'efficienza inferiore al 10% (in media tra il 7 e l'8,5%). In passato, la presenza del cadmio rendeva problematica la commercializzazione di questo prodotto. L'esplosione del mercato in Germania e la forte azione commerciale da parte di First Solar hanno permesso al CdTe di guadagnare fiducia e vendite elevate.
Problematiche ancora da risolvere riguardano anche la stabilità del contatto presente sul retro della cella e il controllo di uniformità su vaste aree. Secondo la Mints, il Diseleniuro di indio rame (CIS) e il Diseleniuro di indio rame gallio (Cigs) detengono il potenziale più alto in termini di efficienza.
L’azienda tedesca Wurth Solar ha raggiunto una discreta produzione seguendo diversi percorsi di ricerca tecnologica.
Con un’efficienza media del 9% questa tecnologia rimane però molto complessa per i produttori. Restano da affrontare problematiche come la standardizzazione dei componenti per lo sviluppo dello strato assorbente Cigs, la prevenzione dell’umidità per i moduli flessibili e l’uniformità della struttura cristallina.
Il mercato delle tecnologie a film sottile rimane interessante e negli anni le aspettative sono cresciute sempre di più, anche se lo sviluppo si è dimostrato lento. Ora la corsa sembra però essere ripartita con vigore.
Michael Forst (Europressdienst, Bonn)
Articolo pubblicato sulla rivista bimestrale QualEnergia, n.1/2009
26 marzo 2009
