Il Conto Energia

IL CONTO ENERGIA: NOVITA' ED APPROFONDIMENTI

Il Conto Energia è l’incentivo statale, introdotto nel 2005, a favore della produzione di energia elettrica da impianti solari fotovoltaici; a differenza di ciò che accadeva precedentemente all’entrata in vigore di tale meccanismo la remunerazione avviene sulla base dell’energia effettivamente prodotta e non sulla base dell’investimento sostenuto per mettere in opera l’impianto.

L’incentivo viene concesso sulla quantità di energia prodotta dall’impianto, compresa quella auto consumata, a prescindere dal fatto che si utilizzi il regime di “Scambio sul posto” o il “Ritiro dedicato”.

Ciò costituisce una sorta di garanzia sul reale funzionamento dell’impianto in quanto il proprietario, che dovrà anticipare il capitale per la messa in opera, rientrerà dell’investimento solamente se l’impianto produrrà con una buona efficienza e con continuità.

Il Conto Energia è valido sull’intero territorio nazionale e la sua erogazione copre i 20 anni, che costituiscono una buona parte della vita media di un impianto fotovoltaico; le uniche condizioni che determinano l’esclusione dall’accesso all’incentivo sono costituite dalla piccola dimensione dell’impianto (richiesto minimo 1 kWp) e dal mancato allaccio alla rete elettrica (non sono incentivate le utenze isolate).

Inoltre la copertura finanziaria non grava direttamente sulle risorse dello Stato ma viene garantita grazie al prelievo già presente nelle bollette elettriche (componente A3).

PRIMO CONTO ENERGIA

Con il DM 28/07/2005 e con la successiva delibera 188/05 del settembre 2005 dell’Autorità per l’Energia Elettrica ed il Gas prende avvio il primo Conto Energia; il meccanismo previsto è quello di un istruttoria preliminare trimestrale a seguito della quale i proprietari degli impianti che hanno presentato domanda vengono inseriti in apposite graduatorie ed acquisiscono il diritto all’incentivo. Il tetto massimo di potenza incentivabile (100 MW) viene però raggiunto già nel dicembre dello stesso anno per cui è necessario un decreto del Ministero dello Sviluppo Economico e del Ministero dell’Ambiente e Tutela del Territorio che innalza a 500 MW la quota massima incentivabile; tale decreto, il DM 06/06/2006, modifica leggermente le modalità di presentazione delle domande ed inserisce dei limiti di potenza incentivabile annuali.

Il provvedimento inoltre consente di ottenere gli incentivi anche per impianti realizzati con “film sottile”, fino a quel momento esclusi dall’accesso al Conto Energia, anche se tale possibilità è limitata alle sole “persone giuridiche”.

L’inserimento dei limiti annuali causa una situazione di stallo quando, nell’estate del 2006, viene raggiunta la quota massima incentivabile; per i successivi periodi vengono così bloccate le richieste di acceso all’incentivo.

SECONDO CONTO ENERGIA

Il Secondo Conto Energia (DM 19/02/07 pubblicato sulla Gazzetta Ufficiale del 23/02/07), è subentrato ai precedenti ed è diventato operativo solo dopo la pubblicazione della delibera dell’Autorità per l’Energia Elettrica e il Gas (AEEG) 90/07, avvenuta il 13/04/07, che ha definito le condizioni e le modalità per l’erogazione delle tariffe incentivanti.

Numerose sono le novità rispetto al meccanismo dì incentivazione precedentemente in vigore; le principali sono sintetizzate nei seguenti punti:

• abolizione della fase istruttoria preliminare per essere ammessi alla graduatoria e ricevere l’incentivo;
• abolizione del limite annuo di potenza incentivabile, sostituito con un limite massimo cumulato pari a 1.200 MW; al raggiungimento di tale limite, quale ulteriore garanzia per gli operatori, è previsto un “periodo di moratoria” di 14 mesi (24 mesi per i soli impianti i cui soggetti responsabili sono soggetti pubblici) all’interno del quale gli impianti entrati in esercizio potranno comunque beneficiare delle tariffe incentivanti;
• la richiesta di incentivo deve essere inviata al GSE solo dopo il collegamento alla rete e l’entrata in esercizio degli impianti fotovoltaici;
• le tariffe sono articolate per taglia e tipologia installativa, con l’intento di favorire le applicazioni di piccola taglia architettonicamente integrate in strutture o edifici;
• è stato introdotto un premio per impianti fotovoltaici abbinati all’uso efficiente dell’energia negli edifici.

Quale ulteriore semplificazione a beneficio dei cittadini la successiva delibera AEEG ARG/elt 161/08 ha reso inoltre possibile la realizzazione di un impianto fotovoltaico suddiviso in più parti (denominate “sezioni”) ciascuna con la propria tipologia d’integrazione architettonica e quindi di tariffa.

Le tariffe vengono riconosciute per l’intero periodo di 20 anni e rimangono costanti, cioè non viene applicato l’aggiornamento ISTAT (problema interpretativo che era sorto con il Primo Conto Energia); inoltre per gli impianti che entrano in esercizio dopo il 2008 viene prevista una decurtazione della tariffa del 2% per ogni anno successivo.

Una grossa novità è costituita dal fatto che gli impianti operanti in regime di scambio sul posto ricevono l’incentivo per tutta l’energia prodotta e non soltanto per quella auto consumata come accadeva con la prima formulazione del Conto Energia; si precisa inoltre che la Finanziaria 2008 ha esteso a 200 kW la potenza fino a cui gli impianti alimentati a fonti rinnovabili possono accedere al regime di scambio sul posto (precedentemente tale limite era di 20 kW).

Il nuovo decreto prevede inoltre una maggiorazione della tariffa del 5% nei seguenti casi:

• soggetto che autoconsuma almeno il 70% dell’energia prodotta;
• soggetto responsabile costituito da scuola pubblica/paritaria o struttura sanitaria pubblica;
• impianti integrati in sostituzione di coperture in eternit o amianto;
• soggetto responsabile costituito da ente locale con popolazione residente inferiore ai 5.000 abitanti.

Viene premiato infine l’utilizzo efficiente dell’energia negli edifici tramite una maggiorazione della tariffa incentivante nei casi in cui, a seguito di interventi di riqualificazione energetica, si riduca di almeno il 10% l’indice di prestazione energetica dell’edificio o dell’unità immobiliare, rispetto al medesimo indice antecedente all’intervento; il premio consiste in una maggiorazione della tariffa pari alla metà della riduzione dell’indice di prestazione energetica, fino ad un massimo del 30%.

TERZO CONTO ENERGIA

Il Decreto interministeriale del 6/08/2010 “Incentivazione della produzione di energia elettrica mediante conversione fotovoltaica della fonte solare” (nel seguito “Decreto”), emanato dal Ministero dello Sviluppo Economico (MiSE) di concerto con il Ministero dell’Ambiente e della Tutela del Territorio e del Mare (MATTM), pubblicato sulla Gazzetta Ufficiale del 24/08/2010 e attuato con la Delibera ARG/elt 181/10 emanata dall’Autorità dell’Energia Elettrica e il Gas il 20 Ottobre 2010, è stato redatto per dare continuità al meccanismo di incentivazione in Conto Energia per gli impianti fotovoltaici, già avviato con i precedenti decreti del 28/07/2005 e 06/02/2006 (Primo Conto Energia) e 19/02/2007 (Secondo Conto Energia).

Tra le novità del meccanismo di incentivazione, che si applica agli impianti entrati in vigore dopo il 31/12/2010, si segnala la ridefinizione delle tipologie d’impianto; le vecchie tipologie (impianto integrato, parzialmente integrato e non integrato) vengono racchiuse in un’unica tipologia “impianti fotovoltaici” e ne vengono aggiunte di nuove.

La nuova suddivisione risulta quindi la seguente:

• impianti fotovoltaici (“su edifici” o “altri impianti”);
• impianti fotovoltaici integrati con caratteristiche innovative;
• impianti fotovoltaici a concentrazione;
• impianti fotovoltaici con innovazione tecnologica.

Per le sopraelencate categorie sono stati definiti i seguenti limiti di potenza incentivabile:

• 3.000 MW per gli impianti fotovoltaici;
• 300 MW per gli impianti fotovoltaici integrati architettonicamente con caratteristiche innovative;
• 200 MW per gli impianti fotovoltaici a concentrazione.

Per gli impianti fotovoltaici con innovazione tecnologica, le modalità di incentivazione e il tetto massimo avrebbero dovuto essere definite con un successivo decreto (mai arrivato perché al Terzo Conto Energia subentra anzitempo il Quarto Conto Energia).

Alla luce del graduale, ma significativo, decremento dei costi della tecnologia fotovoltaica il Decreto ha definito le tariffe incentivanti riconosciute agli impianti fotovoltaici per il triennio 2011 – 2013 sulla base di criteri di un’equa remunerazione dei costi di investimento e di esercizio degli impianti stessi. Inoltre, ha fissato tariffe specifiche destinate agli impianti fotovoltaici a concentrazione e a interventi che promuovono l’integrazione architettonica degli impianti fotovoltaici con caratteristiche innovative.

Le tariffe incentivanti del terzo conto energia vengono definite secondo le varie tipologie di impianto e 6 diversi intervalli di potenza nominale (1-3 kW, 3-20 kW, 20-200 kW, 200-1000 kW, 1.000-5.000 kW, oltre i 5.000 kW).

Vengono inoltre confermati i premi aggiuntivi sulla tariffa base previsti in caso di impianti fotovoltaici ricadenti nella tipologia “su edifici” e gli impianti fotovoltaici integrati con caratteristiche innovative, operanti in regime di Scambio sul Posto e installati su edifici, se abbinati a un uso efficiente dell’energia. Il premio, che può raggiungere il 30% della tariffa base, è riconosciuto a decorrere dall’anno solare successivo alla data di presentazione della richiesta e per il periodo residuo di diritto alla tariffa incentivante.

Inoltre una maggiorazione percentuale è prevista nei casi seguenti:

• 5% per gli impianti fotovoltaici ricadenti nella tipologia “altri impianti”, ubicati in zone industriali, commerciali, cave o discariche esaurite, aree di pertinenza di discariche o di siti contaminati;
• 5% per gli impianti ricadenti nella tipologia “su edifici” operanti in regime di Scambio sul Posto, realizzati da Comuni con popolazione inferiore a 5.000 abitanti, dei quali i predetti Comuni siano soggetti responsabili;
• 10% per gli impianti ricadenti nella tipologia “su edifici” installati in sostituzione di coperture in eternit o comunque contenenti amianto.

Per impianti fotovoltaici i cui moduli costituiscono elementi costruttivi di pergole, serre, barriere acustiche, tettoie e pensiline è riconosciuta una tariffa incentivante pari alla media aritmetica fra la tariffa spettante agli impianti realizzati “su edifici” e a quella spettante agli “altri impianti”.

QUARTO CONTO ENERGIA

Il 12 maggio 2011 è stato pubblicato in Gazzetta Ufficiale (n.109) il decreto del Ministro dello Sviluppo Economico 05/05/2011 che regola le tariffe incentivanti da riconoscere alla produzione di energia elettrica ottenuta da impianti fotovoltaici.

Il decreto si applica agli impianti fotovoltaici che entrano in esercizio dall’1 giugno 2011 e fino al 31 dicembre 2016, per un obiettivo indicativo di potenza installata a livello nazionale di circa 23.000 MW, corrispondente a un costo indicativo cumulato annuo degli incentivi stimabile tra 6 e 7 miliardi di euro.

Il decreto prevede che possano accedere agli incentivi le seguenti tipologie di impianti:

• Impianti fotovoltaici, distinti a loro volta in piccoli e grandi impianti;
• Impianti fotovoltaici integrati con caratteristiche innovative;
• Impianti a concentrazione.

Le tipologie di impianti suddette vengono definite come segue:

• “piccoli impianti”: sono gli impianti fotovoltaici realizzati su edifici che hanno una potenza non superiore a 1.000 kW, gli altri impianti fotovoltaici con potenza non superiore a 200 kW operanti in regime di scambio sul posto, nonché gli impianti fotovoltaici di potenza qualsiasi realizzati su edifici ed aree delle Amministrazioni pubbliche di cui all’articolo 1, comma 2, del decreto legislativo n.165 del 2001;
• “grande impianto”: è un impianto fotovoltaico diverso da quello di cui alla lettera precedente;
• “impianto fotovoltaico integrato con caratteristiche innovative”: è l’impianto fotovoltaico che utilizza moduli non convenzionali e componenti speciali, sviluppati specificatamente per sostituire elementi architettonici;
• “sistema solare fotovoltaico a concentrazione o impianto fotovoltaico a concentrazione”: è un impianto di produzione di energia elettrica mediante conversione diretta della radiazione solare, tramite l’effetto fotovoltaico; esso è composto principalmente da un insieme di moduli in cui la luce solare è concentrata, tramite sistemi ottici, su celle fotovoltaiche, da uno o più gruppi di conversione della corrente continua in corrente alternata e da altri componenti elettrici minori.

I limiti di incentivazione dell’energia prodotta da impianti fotovoltaici sono determinati sulla base del costo annuo indicativo degli incentivi con riferimento a ciascun periodo ed in maniera differenziata in funzione delle tipologie di impianto precedentemente definite.

I grandi impianti che entrano in esercizio entro il 31 agosto 2011 accedono direttamente alle tariffe incentivanti, previa comunicazione al GSE dell’entrata in esercizio. Invece, i grandi impianti che entrano in esercizio dopo il 31 agosto 2011 e fino a tutto il 2012, per accedere alle tariffe incentivanti, devono essere iscritti nell’apposito registro informatico gestito dal GSE, in una posizione tale da rientrare nei limiti di costo definiti per ciascun periodo.

Il prezzo della tariffa incentivante, fissato all’entrata in esercizio dell’impianto fotovoltaico, viene progressivamente ridotto, con cadenza mensile per il 2011 e semestrale per il 2012. Gli impianti che entreranno in funzione a partire dal 2013, in sostituzione al regime dello scambio sul posto, accederanno ad una tariffa suddivisa in due componenti:

• Tariffa autoconsumo, per l’energia prodotta e autoconsumata.
• Tariffa omnicomprensiva, per l’energia prodotta e immessa in rete. Tale tariffa, superiore a quella relativa all’autoconsumo, andrà a compensare la valorizzazione dell’energia precedentemente prevista con lo scambio sul posto.

Per ciò che riguarda i premi aggiuntivi vengono confermati gli incrementi di tariffa del 5% per impianti ubicati in zone industriali, commerciali, cave o discariche esaurite, aree di pertinenza di discariche o di siti contaminati e per gli impianti ricadenti nella tipologia “su edifici” operanti in regime di Scambio sul Posto, realizzati da Comuni con popolazione inferiore a 5.000 abitanti; novità invece per gli impianti in sostituzione di coperture in eternit o contenenti amianto per i quali il premio del 10% viene sostituito da una maggiorazione di 5 centesimi di euro a kWh prodotto.

Viene definito un ulteriore caso in cui è possibile abbinare un premio tariffario: per gli impianti il cui costo di investimento, esclusa la manodopera, sia almeno del 60% riconducibile ad una produzione realizzata all’interno della Unione Europea viene prevista una maggiorazione della tariffa del 10%.

Altra importante novità è la possibilità di avere un indennizzo in caso di ritardo nell’allaccio alla rete: nel caso in cui il gestore di rete non rispetti i tempi per la connessione, previsti dalla Delibera ARG/elt 99/08, e questo ritardo comporti la perdita del diritto a una determinata tariffa incentivante, vengono applicate le misure di indennizzo previste dalla Delibera ARG/elt 181/10 dell’Authority.

Una particolarità viene infine prevista per gli impianti realizzati su aree agricole: si potrà accedere all’incentivo solo se la potenza nominale dell’impianto non è superiore a 1 MW e, nel caso di più impianti appartenenti ad un unico soggetto responsabile, questi dovranno essere distanti almeno 2 km. Inoltre la superficie occupata dall’impianto fotovoltaico non dovrà essere superiore al 10% della superficie totale coltivabile.

D.M. 5 MAGGIO 2011-Incentivazione della produzione di energia elettrica da impianti solari fotovoltaici

QUINTO CONTO ENERGIA

Pubblicato in gazzetta ufficiale il 10 luglio 2012, il decreto ministeriale 5 luglio 2012 contiene il nuovo meccanismo incentivante per l’energia da fonte fotovoltaica; come specificato all’art.1, comma 3, il nuovo meccanismo entra in vigore 45 giorni dopo la comunicazione da parte del GSE del raggiungimento dei 6 miliardi di costo indicativo cumulato annuo di incentivi, secondo quanto previsto dal precedente Conto Energia. È prevista un’eccezione esclusivamente per gli impianti in edifici o aree pubbliche che entrano in esercizio entro il 31 dicembre 2012, per i quali continua a valere quanto previsto dal precedente meccanismo incentivante.

Per l’accesso agli incentivi vengono sostanzialmente previste due modalità: la prima ad accesso diretto e la seconda che prevede un’iscrizione ad appositi registri.

Alla prima possono accedere le seguenti tipologie di impianti:

a) impianti fotovoltaici di potenza fino a 50 kW realizzati su edifici con moduli installati in sostituzione di coperture su cui è operata la completa rimozione dell’eternit o dell’amianto;

b) impianti fotovoltaici di potenza non superiore a 12 kW, ivi inclusi gli impianti realizzati a seguito di rifacimento, nonché i potenziamenti che comportano un incremento della potenza dell’impianto non superiore a 12 kW

c) i potenziamenti che comportano un incremento della potenza dell’impianto non superiore a 12 kW ;

d) impianti fotovoltaici integrati con caratteristiche innovative fino al raggiungimento di un costo indicativo cumulato degli incentivi degli incentivi di 50 ML€;

e) impianti fotovoltaici a concentrazione fino al raggiungimento di un costo indicativo cumulato degli incentivi di 50 ML€;

f) impianti fotovoltaici realizzati da Amministrazioni pubbliche mediante svolgimento di procedure di pubblica evidenza, fino al raggiungimento di un costo indicativo cumulato degli incentivi di 50 ML€;

g) gli impianti fotovoltaici di potenza superiore a 12 kW e non superiore a 20 kW, ivi inclusi gli impianti realizzati a seguito di rifacimento, nonché i potenziamenti che comportano un incremento della potenza dell’impianto non superiore a 20 kW, che richiedono una tariffa ridotta del 20% rispetto a quella spettante ai pari impianti iscritti al registro.

Gli impianti che non ricadono tra le tipologie precedentemente elencate accedono agli incentivi “previa iscrizione in appositi registri, in posizione tale da rientrare nei seguenti limiti massimi di costo indicativo cumulato annuo degli incentivi:

• 1° registro: 140 milioni di euro;
• 2° registro: 120 milioni di euro;
• registri successivi: 80 milioni di euro a registro e comunque fino al raggiungimento del limite di cui all’articolo 1, comma 5.”

Il limite richiamato al punto c) è il limite previsto per la cessazione del nuovo meccanismo, pari a 6,7 miliardi di euro l’anno di costo indicativo cumulato.

Per l’iscrizione ai registri vengono previste tutta una serie di priorità, elencate nell’ordine:

• impianti su edifici dal cui attestato di certificazione energetica risulti la miglior classe energetica, che comunque deve risultare D o superiore, con moduli installati in sostituzione di coperture su cui è operata la completa rimozione dell’eternit o dell’amianto;
• impianti su edifici dal cui attestato di certificazione energetica risulti la miglior classe energetica, che comunque deve risultare D o superiore;
• impianti su edifici con moduli installati in sostituzione di coperture su cui è operata la completa rimozione dell’eternit o dell’amianto;
• impianti con componenti principali realizzati unicamente all’interno di un Paese che risulti membro dell’UE/SEE;
• impianti ubicati, nell’ordine, su: siti contaminati come definiti dall’articolo 240 del decreto legislativo 3 aprile 2006, n. 152 e successive modificazioni, sempreché l’area dei moduli fotovoltaici sia non superiore a quella dei terreni non contaminati o messi in sicurezza, ovvero i moduli siano collocati sui tetti degli edifici insistenti sul sito medesimo; su terreni nella disponibilità del demanio militare; discariche esaurite per le quali è stata comunicata la chiusura ai sensi dell’articolo 12, comma 3 del decreto legislativo n. 36 del 2003; cave dismesse; miniere esaurite;
• impianti di potenza non superiore a 200 kW asserviti ad attività produttive;
• impianti realizzati, nell’ordine, su edifici, serre, pergole, tettoie, pensiline, barriere acustiche;
• altri impianti che rispettino i requisiti di cui all’articolo 7 (l’articolo richiamato prevede i requisiti base per l’accesso agli incentivi – NdR).

L’incentivo corrisposto è composto da una tariffa omnicomprensiva corrisposta sulla quota di produzione netta immessa in rete e da una tariffa sulla quota di energia consumata in sito; sono inoltre previsti premi aggiuntivi sulla tariffa incentivante per impianti realizzati con componenti fabbricati in Stati membri dell’Unione Europea e per impianti realizzati su edifici con moduli installati in sostituzione di coperture in eternit o amianto.

Per ciò che riguarda la procedura di accesso agli incentivi viene introdotta una notevole semplificazione prevedendo che la richiesta di iscrizione al registro e la richiesta di accesso agli incentivi siano effettuate mediante presentazione di dichiarazione sostitutiva di atto di notorietà, accompagnata dalla documentazione strettamente necessaria.

Grazie ad un nuovo processo sintetico è stato creato un elettrolita di solfuro solido dotato della più alta conduttività per gli ioni di sodio più alta mai registrata. Circa 10 volte superiore a quella richiesta per l'uso pratico

Batterie al Sodio allo Stato Solido più facili da Produrre

La batterie allo stato solido incarnano a tutti gli effetti il nuovo mega trend dell’accumulo elettrochimico. E mentre diverse aziende automobilistiche tentano di applicare questa tecnologia agli ioni di litio, c’è chi sta percorrendo strade parallele. É il caso di alcuni ingegneri dell’Università Metropolitana di Osaka, in Giappone. Qui i professori Osaka Atsushi Sakuda e Akitoshi Hayash hanno guidato un gruppo di ricerca nella realizzazione di batterie al sodio allo stato solido attraverso un innovativo processo di sintesi.

Batterie a Ioni Sodio, nuova Frontiera dell’Accumulo

Le batterie al sodio (conosciute erroneamente anche come batterie al sale) hanno conquistato negli ultimi anni parecchia attenzione da parte del mondo scientifico e industriale. L’abbondanza e la facilità di reperimento di questo metallo alcalino ne fanno un concorrente di primo livello dei confronti del litio. Inoltre l’impegno costante sul fronte delle prestazioni sta portando al superamento di alcuni svantaggi intrinseci, come la minore capacità. L’ultimo traguardo raggiunto in questo campo appartiene ad una ricerca cinese che ha realizzato un unità senza anodo con una densità di energia superiore ai 200 Wh/kg.

Integrare questa tecnologia con l’impiego di elettroliti solidi potrebbe teoricamente dare un’ulteriore boost alla densità energetica e migliorare i cicli di carica-scarica (nota dolente per le tradizionali batterie agli ioni di sodio). Quale elettrolita impiegare in questo caso? Quelli di solfuro rappresentano una scelta interessante grazie alla loro elevata conduttività ionica e lavorabilità. Peccato che la sintesi degli elettroliti solforati non sia così semplice e controllabile. Il che si traduce in un’elevata barriera per la produzione commerciale delle batterie al sodio allo stato solido.

Un Flusso di Polisolfuro reattivo

É qui che si inserisce il lavoro del team di Sakuda a Hayash. Gli ingegneri hanno messo a punto un processo sintetico che impiega sali fusi di polisolfuro reattivo per sviluppare elettroliti solidi solforati. Nel dettaglio utilizzando il flusso di polisolfuro Na₂S_x come reagente stechiometrico, i ricercatori hanno sintetizzato due elettroliti di solfuri di sodio dalle caratteristiche distintive, uno dotato della conduttività degli ioni di sodio più alta al mondo (circa 10 volte superiore a quella richiesta per l’uso pratico) e uno vetroso con elevata resistenza alla riduzione.

“Questo processo è utile per la produzione di quasi tutti i materiali solforati contenenti sodio, compresi elettroliti solidi e materiali attivi per elettrodi“, ha affermato il professor Sakuda. “Inoltre, rispetto ai metodi convenzionali, rende più semplice ottenere composti che mostrano prestazioni più elevate, quindi crediamo che diventerà una metodologia mainstream per il futuro sviluppo di materiali per batterie al sodio completamente allo stato solido“.  I risultati sono stati pubblicati su Energy Storage Materials and Inorganic Chemistry .

Un gruppo di scienziati della Lehigh University ha sviluppato un materiale dotato di una efficienza quantistica esterna di 90 punti percentuali sopra quella delle celle solari tradizionali

Nuovo materiale quantistico con un assorbimento solare medio dell’80%

Atomi di rame inseriti tra strati bidimensionali di seleniuro di germanio e solfuro di stagno. Questa la ricetta messa a punto dai fisici Srihari Kastuar e Chinedu Ekuma nei laboratori della Lehigh University, negli Stati Uniti, per dare una svecchiata alla prestazioni delle celle solari. Il duo di ricercatori ha così creato un nuovo materiale quantistico dalle interessanti proprietà fotovoltaiche. Impiegato come strato attivo in una cella prototipo, infatti, il nuovo materiale ha mostrato un assorbimento solare medio dell’80%, un alto tasso di generazione di portatori fotoeccitati e un’efficienza quantistica esterna (EQE) record del 190%. Secondo gli scienziati il risultato raggiunto supera di gran lunga il limite teorico di efficienza di Shockley-Queisser per i materiali a base di silicio e spinge il campo dei materiali quantistici per il fotovoltaico a nuovi livelli. 

leggi anche Fotovoltaico in perovskite, i punti quantici raggiungono un’efficienza record

L’efficienza quantistica esterna

Tocca fare una precisazione. L’efficienza quantistica esterna non va confusa con l’efficienza di conversione, il dato più celebre quando si parla di prestazioni solari. L’EQE rappresenta il rapporto tra il numero di elettroni che danno luogo a una corrente in un circuito esterno e il numero di fotoni incidenti ad una precisa lunghezza d’onda. 

Nelle celle solari tradizionali, l’EQE massimo è del 100%, tuttavia negli ultimi anni alcuni materiali e configurazioni avanzate hanno dimostrato la capacità di generare e raccogliere più di un elettrone da ogni fotone ad alta energia incidente, per un efficienza quantistica esterna superiore al 100%. Il risultato di Kastua e Ekuma, però, rappresenta un unicum nel settore.

Celle solari a banda intermedia

Per il loro lavoro due fisici sono partiti da un campo particolare della ricerca fotovoltaica. Parliamo delle celle solari a banda intermedia (IBSC – Intermediate Band Solar Cells), una tecnologia emergente che ha il potenziale per rivoluzionare la produzione di energia pulita. In questi sistemi la radiazione solare può eccitare i portatori dalla banda di valenza a quella di conduzione, oltre che direttamente, anche in maniera graduale. Come?  “Passando” per l’appunto attraverso stati di una banda intermedia, livelli energetici specifici posizionati all’interno della struttura elettronica di un materiale creato ad hoc. “Ciò consente a un singolo fotone di provocare generazioni multiple di eccitoni attraverso un processo di assorbimento in due fasi“, scrivono i due ricercatori sulla rivista Science Advances.

Nel nuovo materiale quantistico creato dagli scienziati della Lehigh University questi stati hanno livelli di energia all’interno dei gap di sottobanda ideali. Una volta testato all’interno di una cella fotovoltaica prototipale il materiale ha mostrato di poter migliorare l’assorbimento e la generazione di portatori nella gamma dello spettro dal vicino infrarosso alla luce visibile. 

La rivoluzione dei materiali quantistici

Il duo ha sviluppato il nuovo materiale sfruttando i “gap di van der Waals”, spazi atomicamente piccoli tra materiali bidimensionali stratificati. Questi spazi possono confinare molecole o ioni e gli scienziati dei materiali li usano comunemente per inserire, o “intercalare”, altri elementi per ottimizzare le proprietà dei materiali. Per la precisione hanno inserito atomi di rame tra strati di seleniuro di germanio e solfuro di stagno. “Rappresenta un candidato promettente per lo sviluppo di celle solari ad alta efficienza di prossima generazione – ha sottolineato Ekuma – che svolgeranno un ruolo cruciale nell’affrontare il fabbisogno energetico globale“.