La maggior parte dei pannelli solari che oggi ricoprono tetti, campi e deserti in tutto il mondo condividono lo stesso ingrediente: il silicio cristallino. Il materiale, ricavato dal polisilicio grezzo, viene modellato in wafer e cablato in celle solari, dispositivi che convertono la luce solare in elettricità. Recentemente, la dipendenza del settore da questa tecnologia unica è diventata una sorta di problema. Colli di bottiglia nella catena di approvvigionamentostanno rallentandoNuove installazioni solari in tutto il mondo. I principali fornitori di polisilicio nella regione cinese dello Xinjiang —accusato di aver sfruttato il lavoro forzato degli uiguri— stanno subendo sanzioni commerciali da parte degli Stati Uniti.
Fortunatamente, il silicio cristallino non è l'unico materiale in grado di sfruttare l'energia solare. Negli Stati Uniti, scienziati e produttori stanno lavorando per espandere la produzione di tecnologia solare al tellururo di cadmio. Il tellururo di cadmio è un tipo di cella solare a "film sottile" e, come suggerisce il nome, è molto più sottile di una cella al silicio tradizionale. Oggi, i pannelli che utilizzano il tellururo di cadmiofornire circa il 40 percentodel mercato statunitense su scala industriale e circa il 5% del mercato solare globale. E trarranno beneficio dalle difficoltà che affliggono l'industria solare in generale.
"È un periodo molto volatile, soprattutto per la filiera del silicio cristallino in generale", ha affermato Kelsey Goss, analista di ricerca solare per il gruppo di consulenza energetica Wood Mackenzie. "C'è un grande potenziale per i produttori di tellururo di cadmio di acquisire maggiori quote di mercato nel prossimo anno". Soprattutto, ha osservato, dato che il settore del tellururo di cadmio è già in fase di espansione.
A giugno, il produttore solare First Solar ha dichiarato che avrebbeinvestire 680 milioni di dollariin una terza fabbrica di pannelli solari al tellururo di cadmio nel nord-ovest dell'Ohio. Una volta completata l'impianto, nel 2025, l'azienda sarà in grado di produrre pannelli solari per un valore di 6 gigawatt nell'area. Una potenza sufficiente ad alimentare circa 1 milione di case americane. Un'altra azienda solare con sede in Ohio, Toledo Solar, è recentemente entrata nel mercato e sta producendo pannelli al tellururo di cadmio per tetti residenziali. E a giugno, il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e il suo Laboratorio Nazionale per le Energie Rinnovabili, o NREL,ha lanciato un programma da 20 milioni di dollariAccelerare la ricerca e ampliare la filiera del tellururo di cadmio. Uno degli obiettivi del programma è contribuire a isolare il mercato solare statunitense dai vincoli di approvvigionamento globali.
I ricercatori del NREL e della First Solar, precedentemente chiamata Solar Cell Inc., hanno lavorato insieme dall'inizio degli anni '90 per svilupparetecnologia del tellururo di cadmioIl cadmio e il tellururo sono sottoprodotti, rispettivamente, della fusione dei minerali di zinco e della raffinazione del rame. Mentre i wafer di silicio vengono collegati tra loro per creare celle, il cadmio e il tellururo vengono applicati come uno strato sottile – circa un decimo del diametro di un capello umano – su una lastra di vetro, insieme ad altri materiali conduttori di elettricità. First Solar, ora il più grande produttore mondiale di film sottili, ha fornito pannelli per impianti solari in 45 paesi.
La tecnologia presenta alcuni vantaggi rispetto al silicio cristallino, ha affermato la scienziata del NREL Lorelle Mansfield. Ad esempio, il processo a film sottile richiede meno materiali rispetto all'approccio basato su wafer. La tecnologia a film sottile è anche adatta all'uso in pannelli flessibili, come quelli che rivestono zaini o droni o che sono integrati nelle facciate e nelle finestre degli edifici. È importante sottolineare che i pannelli a film sottile offrono prestazioni migliori alle alte temperature, mentre i pannelli in silicio possono surriscaldarsi e diventare meno efficienti nella generazione di elettricità, ha aggiunto.
Ma il silicio cristallino ha un vantaggio in altri ambiti, come l'efficienza media, ovvero la percentuale di luce solare che i pannelli assorbono e convertono in elettricità. Storicamente, i pannelli in silicio hanno avuto efficienze superiori rispetto alla tecnologia al tellururo di cadmio, sebbene il divario si stia riducendo. Gli attuali pannelli in silicio prodotti industrialmente possono raggiungere efficienze pari adal 18 al 22 percento, mentre First Solar ha segnalato un'efficienza media del 18 percento per i suoi più recenti pannelli commerciali.
Tuttavia, il motivo principale per cui il silicio ha dominato il mercato globale è relativamente semplice. "Tutto si riduce al costo", ha affermato Goss. "Il mercato solare tende a essere fortemente guidato dalla tecnologia più economica".
Il silicio cristallino costa tra 0,24 e 0,25 dollari per produrre ogni watt di energia solare, una cifra inferiore a quella di altri concorrenti, ha affermato. First Solar ha affermato di non comunicare più il costo per watt di produzione dei suoi pannelli al tellururo di cadmio, ma solo che i costi sono "diminuiti significativamente" dal 2015, anno in cui l'azienda ha iniziato a operare.costi segnalati di $ 0,46 per watt— e continuano a diminuire ogni anno. Ci sono diverse ragioni per la relativa economicità del silicio. La materia prima polisilicio, utilizzata anche in computer e smartphone, è più ampiamente disponibile ed economica rispetto alle forniture di cadmio e tellururo. Con l'espansione delle fabbriche di pannelli in silicio e componenti correlati, i costi complessivi di produzione e installazione della tecnologia sono diminuiti. Anche il governo cinese ha fortemente...supportato e sovvenzionatoil settore solare al silicio del paese, tanto checirca l'80 percentodella filiera produttiva mondiale di energia solare passa ormai attraverso la Cina.
Il calo dei costi dei pannelli ha guidato il boom globale del solare. Nell'ultimo decennio, la capacità solare installata totale a livello mondiale è aumentata di quasi dieci volte, passando da circa 74.000 megawatt nel 2011 a quasi 714.000 megawatt nel 2020.secondol'Agenzia Internazionale per le Energie Rinnovabili. Gli Stati Uniti rappresentano circa un settimo del totale mondiale e l'energia solare è orauna delle più grandi fontidi nuova capacità elettrica installata ogni anno negli Stati Uniti.
Si prevede che anche il costo per watt del tellururo di cadmio e di altre tecnologie a film sottile diminuirà con l'espansione della produzione.First Solar afferma(che quando aprirà il suo nuovo stabilimento in Ohio, l'azienda offrirà il costo per watt più basso dell'intero mercato solare.) Ma il costo non è l'unico parametro di misura che conta, come dimostrano chiaramente gli attuali problemi della catena di approvvigionamento e le preoccupazioni relative alla manodopera del settore.
Mark Widmar, CEO di First Solar, ha affermato che l'espansione pianificata dall'azienda per 680 milioni di dollari fa parte di un più ampio sforzo per costruire una catena di approvvigionamento autosufficiente e "svincolare" l'industria solare statunitense dalla Cina. Sebbene i pannelli al tellururo di cadmio non utilizzino polisilicio, First Solar ha dovuto affrontare altre sfide per il settore, come gli arretrati causati dalla pandemia nel settore del trasporto marittimo. Ad aprile, First Solar ha comunicato agli investitori che la congestione nei porti americani stava bloccando le spedizioni di pannelli dai suoi stabilimenti in Asia. L'aumento della produzione negli Stati Uniti consentirà all'azienda di utilizzare strade e ferrovie per spedire i suoi pannelli, non navi cargo, ha affermato Widmar. E l'attuale programma di riciclo dei pannelli solari consente all'azienda di riutilizzare i materiali più volte, riducendo ulteriormente la sua dipendenza dalle catene di approvvigionamento e dalle materie prime straniere.
Mentre First Solar produce pannelli, gli scienziati dell'azienda e del NREL continuano a testare e migliorare la tecnologia del tellururo di cadmio. Nel 2019, i partnerha sviluppato un nuovo approccioche prevede il "drogaggio" dei materiali a film sottile con rame e cloro per ottenere efficienze ancora più elevate. All'inizio di questo mese, NRELha annunciato i risultatidi un test sul campo durato 25 anni presso il suo impianto all'aperto di Golden, in Colorado. Un sistema di 12 pannelli al tellururo di cadmio funzionava all'88% della sua efficienza originale, un risultato notevole per un pannello rimasto all'aperto per oltre due decenni. Il degrado "è in linea con quello dei sistemi al silicio", secondo il comunicato stampa dell'NREL.
Mansfield, la scienziata del NREL, ha affermato che l'obiettivo non è sostituire il silicio cristallino con il tellururo di cadmio o affermare che una tecnologia sia superiore all'altra. "Penso che ci sia spazio per tutte sul mercato e che ognuna abbia le sue applicazioni", ha affermato. "Vogliamo che tutta l'energia provenga da fonti rinnovabili, quindi abbiamo davvero bisogno di tutte queste diverse tecnologie per affrontare questa sfida".
Data di pubblicazione: 17 settembre 2021