Comparative Technical-Economic Analysis of Perovskite-Silicon Tandem Cells vs. Last-Generation Commercial N-Type Technologies (TOPCon, HJT, and BC)

Immaginate il sole come un gigantesco e implacabile caricabatterie che irradia la nostra pianeta. Per decenni, gli scienziati hanno cercato di costruire il "catturatore solare" definitivo: un dispositivo che afferri quanta più energia possibile e la trasformi in elettricità per alimentare le nostre luci, le nostre auto e le nostre città. Il catturatore più popolare finora è fatto di silicio, la stessa sostanza che si trova nella sabbia e nei chip dei computer. Pensate alle celle di silicio come a una spugna a strato singolo: sono ottime nel assorbire l'acqua, ma hanno un limite a quanto possono contenerne prima di iniziare a gocciolare. Nel mondo del solare, questo limite è chiamato "limite di Shockley-Queisser", un soffitto teorico dove una spugna a strato singolo non può diventare più bagnata, non importa quanto ci provi.

Per rompere questo soffitto, i ricercatori stanno costruendo catturatori "tandem". Immaginate di impilare due diverse spugne una sopra l'altra: uno strato superiore fatto di un nuovo, magico materiale chiamato perovskite che cattura la luce ad alta energia, e uno strato inferiore di silicio che cattura il resto. Questa squadra a due strati promette di assorbire molta più energia di quanto una singola spugna possa mai fare. Ma ecco la grande domanda: è questa sofisticata nuova doppia spugna pronta a sostituire le vecchie e affidabili spugne singole che usiamo oggi, o è solo un figo esperimento scientifico troppo costoso e fragile per essere usato nel mondo reale? Questo è il puzzle che un nuovo studio cerca di risolvere.

La Grande Sfida del Solare: La Vecchia Guardia contro il Nuovo Concorrente

In questo studio, l'autore David Zarco González allestisce una massiccia pista da corsa digitale per confrontare i campioni attuali dell'energia solare contro la stella nascente del futuro. La "Vecchia Guardia" è composta da tre tipi di celle di silicio avanzate che dominano già il mercato: TOPCon, HJT e BC. Pensate a loro come a maratoneti esperti: affidabili, veloci e testati per finire la corsa senza inciampare. Il "Nuovo Concorrente" è la cella Tandem Perovskite-Silicio, una potenza a due strati che promette di correre più velocemente di chiunque altro, ma sta ancora imparando a stare in piedi.

Lo studio non si è limitato a guardare chi è il più veloce in un laboratorio; ha simulato come queste tecnologie si sarebbero comportate in 30 anni in tre località molto diverse dal mondo reale: i campi caldi e soleggiati di Córdoba, in Spagna; le pianure dal clima misto della Svizzera meridionale/Italia; e i cieli nuvolosi e freschi di Utrecht, nei Paesi Bassi. Hanno anche testato due diverse configurazioni: enormi parchi solari a terra e pannelli solari su tetti industriali.

I Risultati: Chi Vince la Corsa?

Quando le simulazioni hanno elaborato i numeri, i risultati sono stati un mix di "wow" e "aspetta un attimo".

In primo luogo, le celle Tandem Perovskite-Silicio hanno mostrato la loro incredibile velocità. Nelle simulazioni, hanno generato la maggior quantità di elettricità in 30 anni in quasi tutti gli scenari. Ad esempio, nel parco a terra soleggiato della Spagna, le celle Tandem hanno prodotto circa 57.154,6 MWh in tre decenni, superando il miglior corridore di silicio (HJT) che ne ha prodotti 56.172,6 MWh. Poiché sono così efficienti, ne servono meno per ottenere la stessa quantità di energia, il che fa risparmiare denaro sulla "Balance of System" (i cavi, i supporti e il terreno necessari per sorreggere i pannelli).

Tuttavia, c'è un intoppo. Lo studio ha scoperto che, sebbene le celle Tandem producano più energia, sono attualmente molto più costose da acquistare e installare. Il costo dei moduli Tandem è stimato a 0,24 €/Wdc, mentre i rivali al silicio sono molto più economici, con 0,115 €/Wdc per TOPCon e BC, e 0,125 €/Wdc per HJT.

A causa di questo alto prezzo, il "Livello di Costo dell'Energia" (LCOE) — che è essenzialmente il prezzo medio che pagate per ogni unità di elettricità durante la vita del progetto — finisce spesso molto vicino a, o leggermente superiore alle opzioni al silicio, a seconda della località.

• In Spagna (Terra), il LCOE del Tandem era di 40,72 €/MWh, leggermente superiore a quello del TOPCon (40,17 €/MWh).
• In Italia (Terra), il Tandem era a 60,10 €/MWh, che è in realtà leggermente superiore al TOPCon (59,90 €/MWh).
• Nei Paesi Bassi (Terra), il Tandem era a 85,16 €/MWh, il che è essenzialmente identico a (e tecnicamente di una frazione di centesimo superiore a) quello del TOPCon (85,09 €/MWh).

Lo studio suggerisce che le celle Tandem iniziano a sembrare un affare migliore solo in luoghi dove il sole è più debole o il clima è più fresco, come nei Paesi Bassi, perché la loro superiore efficienza aiuta loro a spremere più energia quando la luce è fioca. Ma nei luoghi più caldi e soleggiati, il costo extra delle celle Tandem spesso annulla l'energia extra che generano.

Il Problema dei "Compiti Incompiuti"

Il documento è molto chiaro su un grande ostacolo: la Stabilità. L'autore sottolinea che, sebbene le celle Tandem siano veloci, potrebbero non essere costruite per durare l'intera corsa di 30 anni. Lo studio stima che le celle Tandem potrebbero degradarsi (consumarsi) a un tasso del 1,0–2,0% all'anno, mentre i corridori al silicio degradano molto più lentamente, con un valore ≤0,40% per TOPCon e ≤0,25% per HJT.

Immaginate un corridore che scatta incredibilmente veloce per il primo miglio, ma poi inizia a zoppicare e a rallentare ogni anno successivo. I corridori al silicio sono come tartarughe: iniziano con costanza e continuano a un ritmo regolare per decenni. Lo studio nota che, affinché le banche e gli investitori possano fidarsi delle celle Tandem per grandi prestiti (finanziamenti non ricorrenti), hanno bisogno della prova che queste celle non si disintegreranno dopo 10 anni. Attualmente, le celle Tandem offrono solo una garanzia pilota di 10–15 anni, rispetto alla garanzia di 30 anni offerta dai giganti del silicio.

Il Verdetto

Quindi, qual è il punteggio finale? Lo studio conclude che, per ora, la tecnologia al silicio TOPCon è il re della convenienza per i grandi parchi solari, mentre l'HJT è il campione per i climi caldi perché gestisce meglio il calore. Le celle Back Contact (BC) sono ottime per catturare la luce senza ombre.

La Tandem Perovskite-Silicio è la "campione del futuro" con il più alto potenziale di velocità, ma non ha ancora tagliato il traguardo. L'autore suggerisce che, affinché le celle Tandem prendano il sopravvento sul mercato, i loro costi di produzione devono scendere sotto i 0,15–0,18 USD/Wdc (attualmente sono molto più alti) e devono dimostrare di poter sopravvivere agli elementi per 30 anni senza perdere la loro potenza. Fino ad allora, i affidabili e collaudati corridori al silicio sono ancora la scommessa migliore per costruire centrali solari oggi.