Il fotovoltaico di terza generazione

La conversione fotovoltaica della radiazione solare in energia elettrica è un concetto di recente

introduzione tra le tecniche di produzione dell’elettricità. Pertanto la tecnologia fotovoltaica può

essere considerata giovane rispetto al processo di apprendimento, che in generale caratterizza le

tecnologie energetiche. Essa si trova all’inizio di un processo di sviluppo, che, allo stato attuale, è

ancora caratterizzato da una pluralità di opzioni, sia dal punto di vista delle tecniche, sia da quello

dei materiali. A questo proposito, si può citare il tentativo in corso per lo sviluppo industriale della

tecnologia a film sottili e quello molto ambizioso basato sul filone di ricerca delle celle

multigiunzione per l’alta efficienza. Quest’ultimo argomento merita un momento di

approfondimento, soprattutto per le implicazioni che esso ha con gli obiettivi futuri del fotovoltaico.

In accordo con la tendenza più recente, cominciamo con l’adottare per le celle fotovoltaiche la

classificazione rispetto al tempo in tre generazioni in modo da rendere subito evidenti i legami per

così dire parentali che esistono tra i diversi rami della tecnologia.

tecnologia del silicio cristallino (mono e policristallino) in fette, sulla quale esiste la più ampia

mole di pubblicazioni alcune delle quali hanno assunto ormai valore storico (vedi quelle degli

anni ’50 del secolo scorso). Il processo produttivo industriale è basato sulla lavorazione di

dalla quantità di materiale fotovoltaico impiegato, sia dal processo produttivo, pur essendo

continuamente diminuiti, sono ancora troppo alti (circa 4-6 $/Wp) a fronte dell’efficienza media

di conversione raggiunta dalla produzione commerciale (12-14%). Il combinato disposto di

queste cifre non consente che il costo del kWh, prodotto nelle condizioni tipiche di insolazione

italiane, possa essere competitivo. Si può stimare che la competitività possa essere raggiunta

riducendo ulteriormente il costo fino a 1-2 $/Wp e simultaneamente migliorando l’efficienza

energetica dei moduli in modo da superare la soglia del 20%. Questo valore di efficienza, già

ottenuto per le celle di laboratorio con una tecnologia molto raffinata, stenta ad essere esteso a

livello commerciale per le difficoltà che s’incontrano a industrializzare tale tecnologia,

mantenendo bassi i costi di produzione. Questi in genere, invece di abbassarsi, mostrano un

rialzo proprio nei moduli ad alta efficienza a causa delle maggiori spese dovute alle

complicazioni tecnologiche. In altre parole, allo stato attuale dell’arte, sembra molto

improbabile che il fotovoltaico di prima generazione possa arrivare alla competitività (a meno di

non assegnare a questa tecnologia un più grande credito ambientale).

materiali semiconduttori microcristallini che si prestano alla deposizione in strati su lamine di

sostegno (vetro, metallo, plastica, ecc.), come ad esempio il silicio amorfo idrogenato, il

diseleniuro di indio e rame, il tellururo di cadmio, il solfuro di cadmio, ecc. Per questi prodotti è

stato possibile mettere a punto un processo industriale in continuo, quasi completamente

automatizzato, che può portare a ridurre fortemente i costi di produzione dal momento che il

costo del materiale fotovoltaico in film sottile risulta pressoché trascurabile nei confronti degli

altri costi tecnologici. Dato il costo più basso per la produzione, la competitività dell’energia

prodotta può essere ottenuta con un efficienza dei moduli un po’ più bassa di quella della prima

generazione, in ogni caso sempre superiore a circa il 13-15%. Tale valore è stato ottenuto in

laboratorio per submoduli di piccola superficie, ma esso non è stato ancora raggiunto nei moduli

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di produzione industriale, che mostrano oggi efficienze intorno al 10%. Il processo di sviluppo è

in corso e la probabilità di ottenere la competitività nel prossimo futuro è alta. Esistono tuttavia

molti dubbi di tipo ecologico sulla possibilità di diffondere su larga scala l’uso di impianti a

film sottili. Infatti, se si eccettua il silicio amorfo (che ha però altri problemi), tutti gli altri

materiali possiedono caratteristiche di alta tossicità, che porterebbero a precauzioni di sicurezza

nell’uso e, soprattutto, a problematiche di smaltimento dei rifiuti a fine vita operativa con

conseguente innalzamento dei costi economici.

La terza generazione si riferisce alle tecnologie basate su concetti innovativi, che, pur avendo avuto

conferma sperimentale in laboratorio, ancora non hanno trovato una sufficiente sperimentazione

pratica per passare alla fase della produzione industriale. Alla base di questa terza generazione

fotovoltaica sta l’osservazione che i dispositivi fotovoltaici realizzati con un singolo materiale

semiconduttore riescono sfruttare soltanto una piccola parte dello spettro solare, quella i cui fotoni

hanno energia superiore alla banda proibita che caratterizza il materiale. In altre parole i dispositivi

sono sensibili, cioè vedono, soltanto alcuni colori che compongono lo spettro. Ad esempio, il silicio

è in parte sensibile al blu, molto sensibile al verde e al giallo e poco al rosso, mentre è

completamente insensibile all’infrarosso. In questo modo, più della metà dello spettro solare sfugge

alla conversione fotovoltaica e l’energia ad esso associata viene persa. Ciò pone un limite superiore

all’efficienza dei dispositivi ed il tentativo di rimuovere questo confine costituisce la principale

motivazione delle ricerche sulle celle fotovoltaiche della cosiddetta terza generazione.

In linea teorica, lo spettro solare può essere fatto passare attraverso un sistema ottico (ad esempio,

nel caso più noto, attraverso un prisma di vetro), che possa separare i raggi di diverso colore ed

inviare ciascun colore su una cella fotovoltaica fatta con un materiale particolarmente sensibile

proprio a quel colore, in modo che la risposta della cella sia al massimo della sua efficienza. Un

solare ai fini della conversione fotovoltaica. L’efficienza teorica complessiva, calcolata per questa

tecnica, può raggiungere un valore superiore al 60%.

tre componenti e dimostrando sperimentalmente la possibilità di realizzare in tal modo efficienze

intorno al 30% con celle al germanio per la componente rossa, al silicio per quella giallo-verde e

all’arseniuro di gallio per quella blu-violetta. Naturalmente si deve associare a tali dispositivi un

sistema ottico di cattura e concentrazione della radiazione solare in modo da raggiungere un valore

della densità di potenza che sia significativo per la conversione in elettricità.

Gli esperimenti di laboratorio hanno quindi dimostrato la validità del concetto di suddivisione dello

spettro e la possibilità di avere efficienze fotovoltaiche molto alte, ma la realizzazione pratica dei

sotto il profilo economico. L’aumento ottenuto nell’efficienza non ripaga dei maggiori costi da

Esiste una tecnica più semplice sul piano logico, anche se più complicata su quello della tecnologia,

sovrapposte utilizzando materiali semiconduttori diversi in modo che ciascuna giunzione risponda

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soltanto ad una parte dello spettro solare. In questo caso, ciascuna giunzione assorbe soltanto una

parte dei raggi e la converte in elettroni. La parte restante dello spettro passa oltre e, a sua volta,

viene parzialmente assorbita nella giunzione successiva e cosi via in cascata. Il dispositivo è

congegnato in modo tale che gli elettroni prodotti in ogni giunzione vengono raccolti nel circuito

elettrico esterno. La potenza totale generata dal dispositivo è quindi la somma di tutti i contributi

dovuti alla conversione fotovoltaica nelle diverse giunzioni da parte delle varie componenti dello

spettro solare.

In linea teorica, se si avesse a disposizione un grande numero di materiali semiconduttori da

accoppiare a tutte le componenti dello spettro, sarebbe possibile sfruttare l’intera energia contenuta

nella radiazione solare. In questa ipotesi teorica, l’efficienza di conversione fotovoltaica è stata

quantificata in un valore pari all’86.8% (Green, 2002).

In linea pratica, sono stati realizzati numerosi dispositivi a celle multigiunzione, limitandone il

numero a tre per evidenti ragioni, sia di difficoltà tecnologica, sia di disponibilità di materiali

semiconduttori di caratteristiche fotovoltaiche adeguate. La seguente Tab.1 riassume i migliori

risultati finora conseguiti dai dispositivi a multigiunzione confrontati con quelli delle celle a

giunzione singola per i diversi semiconduttori ed in condizione di illuminazione concentrata.

Phenomena, 150(2006), pp.105-135

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Come si può notare, l’efficienza certificata delle celle a giunzione singola è superiore al 20%, quella

delle celle multigiunzione supera il 30%, fino a raggiungere il record assoluto del 39.0% per un tipo

di cella a giunzione tripla realizzata nel 2005 dalla Spectrolab con fosfuro di gallio e indio,

arseniuro di gallio e germanio sotto condizioni di concentrazione della luce solare pari a 236 volte.

Ricordando che questo filone di ricerca si era aperto nel ’56 con le prime celle ad arseniuro di gallio

di efficienza intorno al 6%, si può constatare per confronto il grande sviluppo avvenuto. A prima

vista, questi alti livelli di efficienza potrebbero far pensare di avere superato la soglia di

competitività del kWh prodotto, se non si tenesse nel dovuto conto il costo molto alto della

complessa tecnologia di produzione delle celle triple, che consente soltanto la realizzazione di celle

diviene quindi indispensabile accoppiare alla cella un sistema ottico di concentrazione della luce

solare con la relativa meccanica per l’inseguimento automatico della posizione del sole. Allo stato

attuale della tecnica, l’ulteriore costo aggiunto dal concentratore, sommandosi a quello della

tecnologia, porta a rendere arduo il compito di conseguire la competitività nonostante l’alto valore

dell’efficienza di conversione. Si ritiene che questa possa essere raggiunta quando l’efficienza della

cella supererà la soglia del 40%. Ricerche in questo senso sono in corso fin dal 1997 nel tentativo di

realizzare una cella a quattro giunzioni sovrapposte, che in teoria dovrebbe realizzare l’obiettivo del

40% di efficienza (Kurtz et al., 1997). A giudicare dal tempo trascorso da allora, sembra che le

difficoltà tecnologiche implicate nella realizzazione pratica di un tale dispositivo siano

particolarmente ardue da superare.

In ogni caso, però, i risultati sperimentali già conseguiti da questo filone di ricerca rivestono

un’importanza fondamentale nello sviluppo del fotovoltaico, perché confermano pienamente le

previsioni teoriche verso l’ottenimento pratico di efficienze maggiori di quelle dei dispositivi oggi

in commercio e rafforzano la fiducia in questa tecnologia come fonte rinnovabile di energia

elettrica.

Indubbiamente il risultato sperimentale ottenuto nel campo delle celle ad alta efficienza è

importante ed esso costituisce un punto di riferimento nel processo storico dello sviluppo del

fotovoltaico. Tuttavia, occorre notare che il valore conseguito si trova a meno della metà del limite

teorico previsto per l’efficienza di conversione fotovoltaica nel caso in cui si riuscisse a sfruttare

completamente lo spettro solare.

Questa possibilità veniva considerata, fino a qualche anno fa, soltanto dal punto di vista concettuale.

La sua realizzazione pratica appariva discutibile essenzialmente a causa della limitatezza del

numero dei semiconduttori naturali utilizzabili per le celle multigiunzione e delle difficoltà

tecnologiche incontrate nel sovrapporre più di tre giunzioni. Per la verità storica, però, bisogna

ricordare che una speranza di superare questa limitazione era sorta già da qualche tempo a seguito

della comparsa del concetto dei cosiddetti "super reticoli" nel campo della fisica dello stato solido.

L’idea si deve all’inventore del diodo tunnel e premio Nobel per la fisica nel 1973, Leo Esaki, che

nel 1970 la propose quasi come una curiosità scientifica (Esaki et al, 1970). Senza entrare in dettagli

troppo specialistici che porterebbero il discorso a divergere, basti accennare al fatto che i materiali

semiconduttori naturali, quando sono deposti (conservando la struttura cristallina) in strati piani

mostrano caratteristiche optoelettroniche diverse da quelle del semiconduttore di partenza. Molti

strati sottili, alternativamente drogati n e p, possono essere sovrapposti in pila in modo che il pacco

ottenuto abbia uno spessore significativo per l’assorbimento della radiazione solare (cioè in genere

dell’ordine di qualche micron). Tale materiale risultante si comporta come un nuovo

semiconduttore cristallino, non esistente in natura, avente caratteristiche fisiche dipendenti, entro

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certi limiti, dallo spessore dei singoli strati sottili che lo costituiscono. Modulando opportunamente

tale parametro durante la fase di deposizione degli strati, si possono realizzare nuovi materiali

semiconduttori con banda di energia proibita di larghezza variabile a progetto. Questo nuovo ramo

divenuto possibile progettare materiali dalle caratteristiche ottimali per le esigenze della

conversione fotovoltaica dell’intero spettro solare. Storicamente, questi materiali furono indicati

con il nome di "super reticoli", ma recentemente si è preferito classificarli come uno dei primi

prodotti ottenuti dalla nuova branca della tecnica, detta delle nanotecnologie a causa delle

dimensioni nanometriche dello spessore dei singoli strati.

Nella storia della tecnologia fotovoltaica il capitolo dei super reticoli, pur possedendo un grande

interesse concettuale, tuttavia non ha avuto una grande influenza pratica. La prima applicazione

fotovoltaica di un super reticolo si è avuta nel 1982 in una cella a due giunzioni sovrapposte (cella

ad arseniuro di gallio sovrapposta ad una al silicio) (Wanlass et al., 1982). Nel 1985 si ebbe la

prima applicazione di un super reticolo in alcuni dispositivi al silicio amorfo idrogenato. La zona p

della cella fu realizzata con un materiale ottenuto depositando una serie di strati sottili di silicio

amorfo idrogenato, che all’atto pratico si comportava come un super reticolo avente una banda

d’energia proibita di 2.0 elettronvolt contro quella di 1.4 elettronvolt del silicio amorfo costituente

dei singoli strati (Arya et al., 1985). In tal modo fu possibile aumentare l’efficienza del dispositivo,

portandola al 10.4%.

Studi più approfonditi sui super reticoli realizzati con il silicio amorfo, furono effettuati negli anni

seguenti (Wronski, 1987; Rothwarf et al., 1990), mentre in parallelo altri ricercatori portavano

avanti studi ed esperimenti con l’arseniuro di gallio (Chaffin et al, 1984; Wagner et al., 1985;

Goradia et al., 1985).

Nessuno di questi lavori, però, era riuscito a costruire il dispositivo monolitico rivoluzionario, la

cella cosiddetta multicolore, sensibile cioè a tutto lo spettro solare, come era stato teoricamente

pensato. Il materiale super reticolare veniva impiegato soltanto per realizzare alcune parti delle celle

multigiunzione convenzionali in modo da migliorarne l’efficienza. Le ragioni di questo fallimento

appaiono evidenti se si considera la difficoltà pratica di estendere una tecnologia così raffinata al

grande numero degli strati nanometrici (alcune migliaia), che sarebbero necessari per realizzare

l’assorbimento selettivo dello spettro solare. Inoltre, la complessità tecnologica avrebbe comportato

una grande difficoltà a realizzare i processi produttivi industriali a basso costo su grandi superfici e

larga scala, che sarebbero serviti nell’ottica dei dispositivi fotovoltaici per la produzione di energia

elettrica. Infine, analizzando attentamente il comportamento di un modello teorico della cella

multicolore rispetto ai cambiamenti dello spettro solare nell’arco della giornata, fu messa in

evidenza la estrema sensibilità della sua risposta in funzione delle variazioni dell’intensità

d’illuminazione e della composizione spettrale, effetti che si registrano nel corso dell’esposizione

sul campo. In pratica si è visto che l’alto valore teorico dell’efficienza di conversione può essere

ottenuto soltanto in condizioni di insolazione ideale, mentre nelle condizioni reali l’efficienza media

è molto più bassa, al punto tale che la convenienza rispetto ad una cella tandem scompare (Brown et

al., 2002).

Di fatto, l’interesse in campo fotovoltaico sui super reticoli a struttura piana è andato

progressivamente a diminuire negli anni ’90, mentre nel contempo si sono affacciati nuovi

argomenti di studio, basati sulle nanotecnologie dei materiali. Questi argomenti, oggi, promettono

di realizzare con altre tecniche più semplici lo sfruttamento dello spettro solare al fine di ottenere

l’alta efficienza di conversione, che, abbinata ai bassi costi, è necessaria per raggiungere la

competitività.

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Come appare conveniente per il nostro lavoro, si affronterà l’argomento delle nanotecnologie sul

piano concettuale senza entrare in dettagli specialistici, cominciando con una sommaria descrizione

dei cosiddetti "nanocristalli quantistici".

Si immagini di prendere una particella di un semiconduttore cristallino e si assuma che essa abbia

forma pressoché sferica. Si supponga poi di poter ridurre le dimensioni di questa sfera, in modo che

il suo diametro raggiunga una misura dell’ordine del nanometro, cosicché il suo volume venga a

contenere da 10 a 100 atomi. A questo grado microscopico di aggregazione atomica, continuano ad

macroscopico è che i livelli all’interno delle bande sono associati a valori discreti dell’energia e la

distanza tra i singoli livelli dipende dal numero di atomi presenti nell’aggregato. Minore è il numero

degli atomi e più separati sono i livelli energetici. Ciò in particolare accade per la banda proibita, la

cui larghezza in tal modo viene fissata in funzione del numero di atomi, o, ciò che è lo stesso nel

caso di atomi di uno stesso materiale, dalle dimensioni del diametro della sferetta. In conclusione, il

passaggio dal materiale semiconduttore cristallino esteso a quello di aggregato atomico di

un cambiamento delle caratteristiche fisiche ed optoelettroniche tale che diviene possibile

l’ingegneria delle bande attraverso la scelta del materiale di partenza ed il controllo delle

ciascuno di essi fosse un super reticolo tridimensionale. In linea di principio, modulando il diametro

dei nanocristalli quantistici, si possono realizzare diversi valori della banda proibita in modo da

realizzare con lo stesso materiale diverse possibilità d’accoppiamento fotoelettrico ottimale con le

varie frequenze dello spettro solare. In teoria, i nanocristalli possono essere disposti a strati multipli

all’interno di un’opportuna giunzione n-i-p, collocandoli al posto della zona intrinseca, i, cosicché

la corrente fotoelettrica generata in essi dalla radiazione solare possa passare da uno strato all’altro

per effetto tunnel fino a venir convogliata dal campo elettrico della giunzione sugli elettrodi di

uscita analogamente a quanto avviene nelle celle fotovoltaiche convenzionali.

Nella pratica, però, la situazione appare più complicata di come concettualmente si è descritta. Ad

GaAs in dispositivi fotovoltaici a barriera Schottky, mentre hanno confermato in pieno le

caratteristiche optoelettroniche, hanno mostrato un comportamento fotovoltaico molto deludente

(Kamprachum et al., 2002). Altri semiconduttori che si prestano ad essere lavorati e ridotti in

nanocristalli quantistici adatti all’accoppiamento con le componenti principali dello spettro solare

(ad esempio PbSe, CdSe, InP, CdS) mostrano tutti una bassa vita media delle coppie elettronelacuna

fotogenerate. La presenza di numerosi livelli di ricombinazione dovuti proprio alla

condizione nanocristallina fa sì che entro qualche nanosecondo tutti i fotoelettroni scompaiano dalla

banda di conduzione. Se si vuole raccogliere la corrente fotogenerata, occorre pertanto allontanare

subito l’elettrone dalla lacuna ed avviarlo all’elettrodo esterno. Ciò può essere fatto con un

con un altro materiale semiconduttore, che presenti una densità bassa di livelli di ricombinazione. In

iniettato all’interno della banda di conduzione del secondo semiconduttore, dove la sua vita media

può essere notevolmente più lunga e la sua raccolta può venire facilitata. In questo modo, però, la

in eccesso e quindi il nanocristallo si carica positivamente. Per riportare il nanocristallo in

condizioni neutre occorre fornire elettroni dal circuito esterno mediante opportuni accorgimenti.

Storicamente, la prima realizzazione pratica di un tale dispositivo è costituita dalla cella

elettrochimica di Grätzel, detta così dal nome del suo inventore (O’Regan, Grätzel, 1991). Il

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dispositivo in origine utilizzava, come materiale semiconduttore per il trasporto e la raccolta delle

Questi nanocristalli erano trattati in modo tale da rendere la loro superficie porosa cosicché ciascun

sali con cui si realizzano le vernici luminescenti. La differenza con il sistema sopra descritto è solo

brevemente illustrato nel modo seguente. I nanocristalli di biossido di titanio sensibilizzati vengono

compattati per sinterizzazione in forma di strato, spesso una decina di micron. Lo strato è incollato

ad una lastra di un conduttore trasparente attraverso cui viene fatta passare la radiazione solare

(contatto anteriore della cella). All’altro lato dello strato dei nanocristalli viene appoggiato un

secondo elettrodo (contatto posteriore) e i contorni del pacchetto vengono sigillati dopo aver

vanno a costituire il primo elettrodo di una cella elettrolitica che ha il contatto posteriore come

passando dallo stato fondamentale ad uno eccitato. Poi, entro un tempo breve, essa si diseccita

emettendo un elettrone, che penetra all’interno del biossido di titanio attraverso la barriera

superficiale. L’energia dell’elettrone è tale che esso viene iniettato direttamente nella banda di

con la banda di conduzione contenente pochissimi elettroni (in condizioni termiche normali).

movimento degli elettroni è di tipo diffusivo perché all’interno dei nanocristalli non esiste alcun

campo elettrico dato che la soluzione elettrolitica in cui essi sono immersi, essendo un buon

conduttore, mantiene lo spazio intorno ai nanocristalli equipotenziale (Deb et al., 1997). Gli

elettroni pertanto raggiungono il contatto anteriore per diffusione e, sotto l’azione della differenza

di potenziale esistente tra questo contatto e quello posteriore (potenziale di ossido riduzione della

cella elettrolitica), circolano nel circuito esterno che collega i due elettrodi attraverso il carico,

sviluppando potenza in esso. Una volta raggiunto il contatto posteriore, le cariche vengono

neutralizzate dalla reazione elettrochimica. In questo modo si riesce a realizzare la conversione

fotoelettrica in due tempi ed in due luoghi separati. L’effetto fotoelettrico avviene all’interno della

un vantaggio perché aumenta i gradi di libertà, consentendo di ottimizzare il processo di

fotoconversione indipendentemente da quello della raccolta della carica. La neutralità elettrica della

cella viene ristabilita dalla reazione elettrochimica, che, nel caso della cella di Grätzel, avviene in

una soluzione elettrolitica non acquosa contenente la coppia redox ioduro/triioduro in acetonitrile

cosicché gli elettroni fotogenerati dopo aver attraversato il circuito esterno vengono neutralizzati

mediante la riduzione del triioduro a ioduro.

Celle fotoelettrochimiche di questo tipo con efficienza certificata pari al 7% sono state realizzate nel

1994 e da allora è iniziato il tentativo di industrializzazione della tecnologia (McEvoy et al., 1994).

Nel 1996 la tecnologia delle celle di Grätzel era già migliorata al punto tale che l’efficienza,

la superficie della cella fino al livello di modulo in modo da verificare la possibilità di interesse del

mercato fotovoltaico.

La cella fotoelettrochimica di Grätzel ha indubbiamente un valore concettuale (ed anche storico)

notevole in quanto essa ha dimostrato sperimentalmente il funzionamento delle nanotecnologie

applicate alla fotoconversione elettrica. Essa tuttavia si presta a considerazioni critiche circa la sua

reale possibilità di raggiungere il campo di alte efficienze necessario per la competitività del kWh

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un rendimento basso a causa dell’assorbimento estremamente selettivo e quindi ristretto a piccole

bande delle frequenze luminose. Ciò riduce subito il valore limite dell’efficienza di conversione

rapidamente nel tempo quando sono esposte alla luce solare cosicché l’efficienza delle celle tende a

l’assorbimento luminoso, mentre permane alto il valore del meccanismo d’iniezione e di trasporto

dispositivo.

collocati nei pori del biossido di titanio altrettanti nanocristalli quantistici di semiconduttori

descritti, hanno una grande capacità di assorbimento della luce in quanto essa è limitata soltanto dal

facilmente protetti dall'ambiente elettrolitico in cui operano). Si ha così che uno strato sinterizzato

essere reso fotosensibile soltanto ad alcune componenti dello spettro solare e completamente

trasparente alle altre. Sovrapponendo tra loro diversi strati, ciascuno sensibile ad una delle varie

componenti dello spettro solare, si può realizzare un dispositivo fotoelettrochimico ad altissima

efficienza simile alle celle fotovoltaiche multigiunzione, ma in linea di principio con una tecnologia

molto più semplice (sinterizzazione) e soprattutto più adatta alla industrializzazione su grande scala.

Il modello concettuale fornito dalla cella elettrochimica di Grätzel può servire per immaginare un

attualmente allontanarsi da tale modello. La necessità di ricorrere ad un’alternativa emerge non

appena si sottopone il concetto della conversione fotoelettrochimica al vaglio dei criteri d’impatto

ambientale. Infatti, le soluzioni elettrolitiche necessarie per il funzionamento delle celle di Grätzel

mostrano un alto grado di tossicità per cui l’eventuale uso esteso di tali dispositivi, visto nella

prospettiva energetica di grande scala, pone notevoli rischi di rilascio di effluenti chimici, sia

durante il funzionamento degli impianti in caso d’incidente, sia a fine vita operativa per la loro

disposizione in discarica.

Allo stato attuale della conoscenza, sembra che l’alternativa possa venire dall’uso rinnovato del

mondo. Qui, nanocristalli quantistici di silicio puro sono stati ottenuti in laboratorio e la possibilità

di modulare la banda di energia proibita tra 1.3 eV e 1.7 eV è stata verificata sperimentalmente. Si

apre quindi la strada per modulare il coefficiente di assorbimento del silicio in modo da impiegare

soltanto questo materiale (stabile e non inquinante) per realizzare i dispositivi fotovoltaici della

terza generazione senza far ricorso ad altri tipi di semiconduttori, tutti, più o meno, ambientalmente

tecnologia di realizzare alcuni dispositivi fotovoltaici di terza generazione finora soltanto teorizzati

(ad esempio le celle a elettroni caldi), che potrebbero portare l’efficienza di conversione al limite

del valore teorico calcolato (Green, 2003).

In conclusione, le recenti innovazioni introdotte in campo fotovoltaico dalle nanotecnologie dei

materiali e le acquisizioni concettuali e sperimentali relative alle applicazioni quantistiche che

divengono oggi possibili lasciano prevedere l’avvento di dispositivi fotovoltaici di terza

generazione. Tali prodotti potranno finalmente portare alla competitività del kWh con un margine

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tale da permettere di tollerare anche i costi aggiunti dai sistemi di accumulo dell’energia. Solo a

questo punto la tecnologia fotovoltaica potrà superare i limiti di sviluppo dovuti all’intermittenza

della generazione e divenire una reale opzione energetica alternativa.

Il percorso storico della tecnologia fotovoltaica, iniziato nel lontano 1839 con l’osservazione

dell’effetto fotoelettrico da parte di Edmond Becquerel, appare oggi tutt’altro che terminato.

Piuttosto, tutto lascia presumere che il futuro del fotovoltaico sia appena cominciato.

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