Fotovoltaico TOPCon, guida alla tecnologia

Aumenta la quota di mercato del fotovoltaico con tecnologia TOPCon grazie ai suoi innumerevoli vantaggi. Ma l’affidabilità compressiva di questi moduli può essere ancora migliorata. Uno studio mostra come

Fotovoltaico TOPCon: tecnologia, quota di mercato, vantaggi e fattori critici

I moduli fotovoltaici TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact) sono pronti a divenire la tecnologia dominante in campo solare, scalzando una volta per tutte il predominio della PERC. Secondo un recente rapporto questo segmento ha visto la sua quota di mercato crescere rapidamente nell’ultimo periodo, passando dal 10% nel 2022 a circa il 30% nel 2023, anno in cui la tecnologia PERC deteneva ancora la fetta maggiore (64%). Ma già nel 2024 i ruoli dovrebbero invertirsi, spingendo la TOPCon al 50%. La quota, grazie anche ai contributi delle tecnologie SHJ (fotovoltaico a eterogiunzione di silicio) e IBC (fotovoltaico a contatti posteriori) – che si spartirebbero un altro 19% – dovrebbe lasciare all’ex standard di settore solo il 21% del mercato fotovoltaico globale.

Di fronte a questa repentina crescita appare spontanea una domanda: quanto sono affidabili i pannelli solari TOPCon? A rispondere è oggi un nuovo studio tedesco del Fraunhofer Institute for Energy Systems (ISE) che ha analizzato 20 moduli fotovoltaici con tecnologia Tunnel Oxide Passivated Contact realizzati da produttori diversi. Il risultato? Esistono dei problemi di “degradazione” da risolvere.

Ma andiamo con ordine.

Cosa è la tecnologia TOPCon?

Si tratta di una tecnologia fotovoltaica creata dal Fraunhofer ISE nel 2013. La sigla TOPCon è l’acronimo di Tunnel Oxide Passivated Contact (traducibile come “contatto passivato con ossido di tunnel”) e indica una particolare soluzione strutturale per la cella in grado di ridurre la ricombinazione dei portatori di carica. Migliorandone nel contempo il trasporto. 

Nel dettaglio, la tecnologia TOPCon prevede l’introduzione di due elementi all’architettura classica: 

• uno strato di ossido di tunnel;
• uno strato di silicio policristallino altamente drogato

L’ossido di tunnel non è altro che una sottilissima (circa 1-2 nanometri) fetta di ossido di silicio (SiO2) posta i contatti metallici e il wafer di silicio. Questo strato passiva la superficie del wafer riducendo la ricombinazione superficiale dei portatori di carica. Inoltre grazie alla sua sottigliezza, permette agli elettroni di attraversarlo con un “effetto tunnel” (da cui il nome).

Sopra all’ossido tunnel viene depositato lo strato di silicio policristallino che ha il compito di migliorare la conduttività elettrica e ridurre le perdite di trasmissione.

Fotovoltaico TOPCon di Tipo N

Come tutte le unità fotovoltaiche, anche le celle solari TOPCon possono essere di tipo P o di tipo N, a seconda che siano drogate con atomi dotati di un elettrone in meno rispetto al silicio o con atomi con un elettrone in più. Per molti anni, le celle di tipo P hanno dominato l’industria solare grazie ad una maggiore facilità produttiva. Tuttavia, sempre più fabbricanti di pannelli fotovoltaici si affidano ora all’N-Type perché promette efficienze più elevate.

Non solo la tecnologia di tipo N  regala alle celle solari una minore degradazione indotta dalla potenza (PID) e una maggiore resistenza alla temperatura. Nonché minore suscettibilità alle impurità metalliche nel silicio.

I vantaggi del fotovoltaico N-Type TOPCon

La repentina crescita della tecnologia N-Type TOPCon si deve ad una serie di innegabili vantaggi:

• Perdite di ricombinazione ridotte: grazie allo strato di ossido tunnel, le celle TOPCon mostrano perdite dovute alla ricombinazione di elettroni e lacune, significativamente ridotte.
• Raccolta migliorata dei portatori di carica: lo strato di silicio policristallino fornisce un percorso a bassa resistenza per gli elettroni, migliorando la raccolta. 
• Tensione più elevata: le minori perdite di ricombinazione determinano una tensione a circuito aperto (Voc) più elevata. 
• Maggiore efficienza di conversione: attualmente, le celle solari TOPCon hanno raggiunto la massima efficienza tra i produttori di fv in silicio, facendo registrare un valore record di efficienza pari a 26,1%. In confronto, le celle PERC tradizionali si aggirano intorno al 23,2%.
• Basso tasso di degradazione: la tecnologia TOPCon di tipo N possiede substrati di silicio drogati con fosforo anziché boro. Quindi la cella non va incontro alla formazione di centri di ricombinazione correlati a boro-ossigeno, causa solitamente di una maggiore degradazione indotta dalla luce. 

In cosa differisce dalla tecnologia PERC?

Rispetto alla PERC (Passivated Emitter and Rear Cell), il processo di produzione delle celle fotovoltaiche TOPCon richiede 2 o 3 fasi aggiuntive, ovvero la deposizione di uno strato di ossido tunnel (SiO2 ultrasottile, da 1 a 2 nm), la deposizione di uno strato di passivazione intrinseco di silicio policristallino (da 60 a 100 nm) e il drogaggio con fosforo.

I problemi di degradazione

La nuova indagine tedesca fornisce una valutazione dettagliata delle prestazioni elettriche, con conseguente classificazione energetica dei moduli fotovoltaici, stabilendo un punto di riferimento per la tecnologia fotovoltaica TOPCon all’avanguardia. 

Nello specifico lo studio del Fraunhofer ISE ha portato alla luce alcuni effetti critici di degradazione causati dall’ingresso di umidità e dai raggi ultra violetti (UV) durante i test di invecchiamento accelerato. Durante l’esposizione ai raggi UV nei test indoor, ad esempio, è stato osservato un nuovo schema di degradazione; lo schema mostra gravi perdite (fino a meno 12% dopo 120 kWh/m2), seguite da un recupero dopo il test di congelamento dell’umidità, che può influenzare le prestazioni all’aperto e i risultati dei test di certificazione (IEC 61730-2, Sequenza B). I risultati evidenziano le aree in cui è necessario un test più mirato e un perfezionamento tecnologico.

I problemi di degradazione correlati all’umidità sembrano invece dovuti alla sensibilità della corrente delle paste di metallizzazione. Sensibilità che potrebbe essere attenuata nelle future generazioni di pannelli solari TOPCon.

Lo studio è reperibile su Progress in Photovoltaics

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