Dalla sabbia ai pannelli solari: svelare il viaggio della produzione di pannelli solari

iStock/Alexsl

Iscrivendoti, accetti i nostri Termini di utilizzo e le nostre Politiche. Puoi annullare l'iscrizione in qualsiasi momento.

2023. Il mondo sta cercando di passare a fonti energetiche più sostenibili e di ridurre la propria dipendenza dai combustibili fossili. Di conseguenza, l’energia rinnovabile sta diventando sempre più popolare. Infatti, la società di contabilità internazionale BDO Global prevede che, entro il 2024, quasi il 33% dell’elettricità mondiale sarà prodotta da fonti rinnovabili.

L’energia solare, in particolare, è una delle opzioni di energia pulita più promettenti e il suo utilizzo sta crescendo rapidamente in tutto il mondo. Alcune fonti riferiscono che l’energia solare rappresenta ora più della metà della nuova capacità di generazione negli Stati Uniti.

In questo contesto è importante acquisire maggiore familiarità con i pannelli solari. Uno dei fatti più sorprendenti su di loro è che in realtà sono fatti di sabbia. Ma come fa la sabbia a trasformarsi in pannelli solari?

Ecco tutto ciò che devi sapere sull'ingegneria alla base della tecnologia fotovoltaica al silicio.

La sabbia è una delle materie prime primarie nella produzione dei pannelli solari.

A differenza di altre materie prime, la sabbia è piuttosto ordinaria e ampiamente disponibile nella maggior parte del mondo. Non è infinito, però. Secondo la CNBC, la sabbia è la risorsa naturale più consumata dopo l’acqua, e a breve potrebbe verificarsi una carenza di sabbia.

Ciò non è dovuto alla produzione di pannelli solari, ma al fatto che il settore edile ha una forte domanda di sabbia. Dopotutto, la sabbia viene utilizzata come aggregato fine nella produzione di calcestruzzo.

iStock/AJ_Watt

La sabbia è anche una delle materie prime primarie del vetro delle nostre finestre e degli schermi dei nostri smartphone e una delle materie prime dei chip di silicio nei telefoni, nei computer e in altri dispositivi elettronici.

La sabbia ha diverse proprietà che la rendono adatta a tutte queste applicazioni:

La sabbia è costituita da granelli e questi granelli possono riempire gli spazi vuoti nelle particelle di cemento, motivo per cui viene miscelata con ghiaia per produrre calcestruzzo. La sabbia fornisce resistenza strutturale al calcestruzzo.

L'alto contenuto di silice nella sabbia le consente di sciogliersi ad alte temperature e formare un materiale di vetro fuso. Una volta raffreddato, il vetro mantiene la sua trasparenza, consentendo la trasmissione della luce, protezione e isolamento.

La struttura cristallina del silicio, derivata dalla sabbia, ha proprietà semiconduttrici uniche che consentono un elevato controllo del flusso di correnti elettriche, motivo per cui il silicio è presente nei dispositivi elettronici. È un componente chiave di diodi, transistor e circuiti.

Tuttavia, nella produzione di pannelli solari in particolare, non va bene solo la sabbia. La sabbia utilizzata deve avere un alto contenuto di biossido di silicio. Questo è importante perché il biossido di silicio è la fonte primaria di silicio ed è essenziale nella produzione di wafer, come spiegheremo di seguito.

Per costruire pannelli solari, la sabbia ricca di silice deve essere estratta da depositi naturali, come miniere di sabbia o cave, dove la sabbia è spesso composta da quarzo, una forma di silice cristallina.

La sabbia viene lavata per rimuovere impurità come argilla, materia organica e altri minerali. Viene poi raffinato con metodi di lavorazione chimica. Un metodo comune è la lisciviazione acida, in cui la sabbia viene miscelata con una soluzione acida, come l'acido solforico, per dissolvere le impurità e separare la silice.

Successivamente, la silice viene riscaldata ad alte temperature, tipicamente in una fornace, per eliminare qualsiasi materiale organico residuo e trasformarlo in silice di elevata purezza.

La silice di elevata purezza è fondamentale per la produzione di polisilicio, noto anche come silicio policristallino. Questa forma di silicio ad elevata purezza viene utilizzata come materia prima per le celle solari.

Per ottenerlo, la sabbia di quarzo purificata viene mescolata con materiali ricchi di carbonio, come carbone o coke di petrolio. Successivamente, la miscela viene esposta ad un flusso di cloro gassoso ad alte temperature, formando triclorosilano (SiHCl3). Questo processo è chiamato clorazione.

iStock/Rauf Karimov

Il triclorosilano, risultato della clorazione, viene ulteriormente lavorato con tecniche di distillazione e purificazione. Nel processo di distillazione, il triclorosilano viene riscaldato per separarsi nei suoi componenti. Il triclorosilano purificato viene riconvertito in silicio di altissima purezza reagendo con l'idrogeno gassoso (H2). Il risultato di questo processo è il polisilicio.