La luce solare è la più grande fonte di energia del mondo e per migliaia di anni è stata la principale fonte di luce e calore della civiltà umana. Oggi, le tecnologie dell'energia solare sono in fase di sviluppo e perfezionamento per utilizzare in modo più efficace l'energia del sole per la produzione di energia elettrica (fotovoltaico), nonché vapore e acqua calda per i processi industriali (tecnologie solari termiche). In meno di un'ora, gli Stati Uniti ricevono più energia sotto forma di luce solare che dai combustibili fossili che bruciano in un anno.
Le radici dell'energia fotovoltaica sono nate da esperimenti condotti oltre 150 anni fa dal fisico francese Antoine-Cesar Becquerel nel 1839. Osservò che poteva produrre una corrente elettrica illuminando una cella elettrolitica composta da un elettrolita e due elettrodi. Lo scienziato tedesco Heinrich Hertz e altri osservarono l'effetto fotovoltaico - la conversione della luce in elettricità - nei solidi durante il 1870, e le prime celle fotovoltaiche primitive furono costruite nel 1800, con un'efficienza di circa l'1-2%. Nel 1954, i Bell Labs negli Stati Uniti introdussero il primo dispositivo solare fotovoltaico che produceva una quantità utile di elettricità e alla fine degli anni '50 le celle solari venivano utilizzate in applicazioni scientifiche e commerciali su piccola scala, in particolare per il programma spaziale statunitense.
Il fotovoltaico è una tecnologia in cui la luce viene convertita in elettricità utilizzando moduli fotovoltaici che non hanno parti in movimento, funzionano silenziosamente senza emissioni e sono capaci di un uso a lungo termine con una manutenzione minima. Il silicio cristallino, lo stesso materiale comunemente utilizzato dall'industria dei semiconduttori, è il materiale utilizzato oggi nel 94% di tutti i moduli fotovoltaici. I moduli fotovoltaici generano corrente continua (DC). Per uso residenziale, la corrente viene alimentata attraverso un inverter per produrre corrente alternata (AC) che può essere utilizzata per alimentare gli elettrodomestici della casa. L'ostacolo principale all'uso diffuso di questa tecnologia è l'elevato costo iniziale dell'attrezzatura. La tecnologia fotovoltaica ha fatto progressi negli ultimi decenni e i prezzi sono costantemente diminuiti.
Si tratta di un mercato in rapida crescita: il tasso di crescita annuale composto (CAGR) delle installazioni fotovoltaiche cumulative, inclusa la rete off-grid, è stato del 34% tra il 2010 e il 2020. Nel 2020, i produttori asiatici rappresentano il 95% della produzione totale di moduli fotovoltaici c-Si. La Cina continentale detiene il primato con una quota del 67%. L'Europa ha contribuito con una quota del 3%; USA/CAN con il 2%. Le dimensioni del wafer sono aumentate consentendo dimensioni maggiori del modulo fotovoltaico consentendo una gamma di potenza da +600 W per modulo. Nel 2020, il contributo dell'Europa al totale delle installazioni fotovoltaiche cumulative è stato del 22% (rispetto al 24% nel 2019).
Al contrario, le installazioni in Cina rappresentano il 33% (stesso valore dell'anno precedente). La tecnologia fotovoltaica basata su wafer di Si ha rappresentato circa il 95% della produzione totale nel 2020. La quota della tecnologia monocristallina è ora di circa l'84% (rispetto al 66% nel 2019) della produzione totale di c-Si. Il mercato sta evolvendo da un modello basato sui sussidi a un modello di prezzi competitivi (Power Purchase Agreements PPA).
L'efficienza record della cella di laboratorio è del 26,7% per la tecnologia monocristallina e del 24,4% per la tecnologia basata su wafer di silicio multicristallino. La massima efficienza di laboratorio nella tecnologia a film sottile è del 23,4% per CIGS e del 21,0% per le celle solari CdTe. L'efficienza record delle celle di laboratorio per la perovskite è del 25,5%. Negli ultimi 10 anni, l'efficienza dei moduli di silicio commerciali medi basati su wafer è aumentata da circa il 15% al 20%. Allo stesso tempo, l'efficienza del modulo CdTe è aumentata dal 9% al 19%. In laboratorio, i moduli più performanti sono basati su silicio monocristallino con un'efficienza del 24,4%. Efficienze record dimostrano il potenziale per ulteriori aumenti di efficienza a livello di produzione. In laboratorio, le celle solari multigiunzione ad alta concentrazione raggiungono oggi un'efficienza fino al 47,1%. Con la tecnologia a concentrazione, sono state raggiunte efficienze dei moduli fino al 38,9%.
L'utilizzo di materiale per le celle di silicio è stato ridotto in modo significativo negli ultimi 16 anni da circa 16 g/Wp a circa 3 g/Wp a causa dell'aumento dell'efficienza, dei wafer più sottili e della segatura con filo diamantato, nonché dei lingotti più grandi. L'Energy Payback Time (EPBT - un indicatore del tempo di ritorno energetico) dei sistemi fotovoltaici dipende dalla posizione geografica: i sistemi fotovoltaici nel Nord Europa hanno bisogno di circa 1,2 anni per bilanciare l'energia in ingresso, mentre i sistemi fotovoltaici nel Sud eguagliano il loro apporto energetico dopo 1 anno o meno, a seconda della tecnologia installata e dell'efficienza della rete. Un impianto fotovoltaico situato in Sicilia con moduli in silicio basati su wafer ha un EPBT di circa un anno. Supponendo una durata di vita di 20 anni, questo tipo di sistema può produrre venti volte l'energia necessaria per produrlo.
L'efficienza dell'inverter per i prodotti di marca all'avanguardia è del 98% e superiore. La quota di mercato degli inverter di stringa è stimata al 64%. Questi inverter sono principalmente utilizzati in applicazioni residenziali, piccole e medie commerciali in impianti fotovoltaici fino a 150 kWp. La quota di mercato degli inverter centralizzati, con applicazioni per lo più in grandi sistemi commerciali e utility scale, è di circa il 34%. Una piccola parte del mercato (circa l'1%) appartiene ai micro-inverter (utilizzati a livello di modulo). La quota di mercato dei convertitori DC/DC, detti anche “ottimizzatori di potenza”, è stimata pari al 5% del mercato totale degli inverter. Tendenze: Digitalizzazione, Repowering, nuove funzionalità per la stabilizzazione della rete e l'ottimizzazione dell'autoconsumo; magazzinaggio; utilizzo di semiconduttori innovativi (SiC o GaN) che consentono efficienze molto elevate e design compatti; Tensione di stringa CC massima 1500 V.
In Germania i prezzi per un tipico impianto fotovoltaico su tetto da 10 a 100 kWp erano di circa 14.000 €/kWp nel 1990. Alla fine del 2020, tali sistemi costavano solo il 7,4% del prezzo nel 1990. Si tratta di una regressione del prezzo netto di circa il 92% su un periodo di 30 anni. La curva dell'esperienza, chiamata anche curva di apprendimento, mostra che negli ultimi 40 anni il prezzo del modulo è diminuito del 26% per ogni raddoppio della produzione cumulata del modulo. La riduzione dei costi deriva dalle economie di scala e dai miglioramenti tecnologici.
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