Perché lo spazio richiede un tipo diverso di tecnologia solare

Se un pannello installato su un tetto si degrada, una squadra può sostituirlo nel giro di un pomeriggio. Un satellite geostazionario orbita a 36.000 chilometri sopra la Terra: lassù non esiste alcun servizio di assistenza stradale. Una piccola riduzione dell’efficienza, che nessuno noterebbe su un tetto, può tradursi in comunicazioni degradate su un satellite. Nel peggiore dei casi, il guasto di un singolo pannello può mettere fuori uso un veicolo spaziale del valore di centinaia di milioni di dollari.

L’ambiente è implacabile. In assenza di atmosfera, la luce ultravioletta colpisce con la sua massima intensità, insieme a particelle ad alta energia che attraversano violentemente i materiali semiconduttori, danneggiandoli dall’interno verso l’esterno. E poiché la riparazione semplicemente non è un’opzione, ogni componente deve funzionare per l’intera durata della missione, spesso misurata in decenni.

Queste esigenze fanno degli array solari per veicoli spaziali una delle applicazioni più impegnative della tecnologia fotovoltaica. Eppure, partendo da vincoli radicalmente diversi, il fotovoltaico spaziale e quello terrestre sono arrivati agli stessi principi fisici. Ciò che cambia è il modo in cui utilizzano tali principi.

Problemi diversi, principi condivisi

Radiazioni vs. difetti superficiali

In orbita, protoni ed elettroni attraversano la struttura cristallina di una cella, creando danni in profondità all’interno del materiale: un problema noto come spostamento atomico nel volume (bulk displacement). La soluzione? Rendere più sottile lo strato attivo, in modo che ci sia meno materiale da colpire, e aggiungere un vetro di copertura che blocchi la parte più dannosa delle radiazioni.

Sulla Terra non esiste un bombardamento di particelle. Tuttavia, umidità, calore e imperfezioni di produzione creano un altro tipo di difetti, principalmente sulla superficie della cella, dove sottraggono silenziosamente corrente anno dopo anno. La soluzione in questo caso è la passivazione: rivestimenti ultra-sottili che sigillano queste imperfezioni superficiali. Le moderne celle di tipo n, come quelle TOPCon e le celle a eterogiunzione, utilizzano la deposizione a strati atomici (ALD) per applicare questi rivestimenti con una precisione quasi atomica.

Danni diversi, difese diverse, ma lo stesso risultato finale: ogni difetto significa un elettrone in meno che raggiunge il circuito.

Sovrapporre i materiali per catturare più luce

Un singolo materiale può convertire in elettricità solo una parte della luce solare. Gli ingegneri spaziali hanno risolto il problema sovrapponendo diversi composti semiconduttori, ciascuno dei quali cattura una porzione diversa dello spettro, portando l’efficienza delle celle di produzione oltre il 30–34% nello spettro AM0. Queste celle multi-giunzione vengono realizzate in reattori di precisione, a costi che renderebbero il loro impiego sui tetti economicamente proibitivo.

Il fotovoltaico terrestre ha avuto la stessa intuizione — sovrapporre gli assorbitori, catturare una maggiore quantità di luce — ma ha seguito una strada diversa. Le celle tandem perovskite-su-silicio hanno superato il 33% di efficienza in laboratorio utilizzando processi basati su soluzioni che potrebbero, in futuro, essere scalati fino a raggiungere un’economia compatibile con le applicazioni sui tetti. La stessa idea architettonica. Materiali e strutture dei costi radicalmente diversi.

Cicli termici: una sollecitazione, due risposte

In orbita terrestre bassa, un satellite passa dalla luce solare all’ombra all’incirca ogni 90 minuti, sottoponendo ogni giunzione saldata a sollecitazioni ripetute. Le missioni spaziali gestiscono questo fenomeno attraverso diodi di bypass e ridondanza a livello di stringa: se un percorso si guasta, la corrente ne trova un altro.

A terra, i moduli affrontano cicli giornalieri e stagionali più lenti nell’arco di 25-30 anni. La risposta del fotovoltaico terrestre? Interconnessioni avanzate, dai multi-busbar fino ai design 20BB, che distribuiscono la corrente attraverso più di un centinaio di punti di contatto per modulo, in modo che nessuna singola connessione debba sopportare una quantità eccessiva di calore o stress.

La stessa fisica: espansione e contrazione sottopongono i contatti elettrici a fenomeni di fatica. Diverse priorità progettuali: lo spazio punta a un degrado controllato in condizioni di sollecitazione rapida e ripetuta; il fotovoltaico terrestre punta a un funzionamento stabile e a basse temperature nell’arco di decenni.

Due culture, una validazione indipendente

Che un componente venga inviato in orbita o installato in un deserto, l’affidabilità non può essere semplicemente dichiarata: deve essere dimostrata.

I programmi spaziali sottopongono gli array a vibrazioni su banchi di prova, li espongono a temperature elevate nelle camere a vuoto e li bombardano con radiazioni, comprimendo anni di sollecitazioni in poche settimane.

Il settore terrestre del fotovoltaico utilizza il proprio banco di prova: lo standard IEC 61215 richiede 200 cicli termici e 1.000 ore di calore umido. I progetti reali spesso richiedono valori doppi o tripli.

Entrambi gli ambiti, in modo indipendente, sono arrivati alla stessa conclusione: la prova di affidabilità più ampiamente riconosciuta è rappresentata dalle prestazioni misurate in condizioni di stress accelerato.

La fisica è universale. L’ingegneria no.

Il fotovoltaico spaziale rappresenta una piccola frazione del mercato fotovoltaico in termini di volumi. Il suo valore per il fotovoltaico terrestre non risiede tanto nel ruolo di fornitore di tecnologie — materiali, processi produttivi e strutture dei costi sono troppo diversi — quanto nella validazione parallela dei principi fisici fondamentali.

Entrambi gli ambiti hanno confermato, attraverso percorsi indipendenti, che ridurre i difetti è importante, che catturare una porzione maggiore dello spettro consente di aumentare l’efficienza e che l’affidabilità deve essere dimostrata attraverso condizioni di stress accelerato, anziché essere semplicemente data per scontata.

Le risposte ingegneristiche divergono. La fisica no

Per Astronergy, questa validazione parallela rafforza un principio semplice: le tecnologie fotovoltaiche devono garantire prestazioni costanti in condizioni sempre più impegnative.

Combinando alta efficienza, progettazione orientata all’affidabilità e una profonda competenza nella produzione, Astronergy continua a sviluppare moduli progettati per una generazione di energia di lungo periodo, dai deserti caratterizzati da elevata irradiazione fino alle coste caratterizzate da elevata umidità.