Una cella fotovoltaica è un dispositivo che utilizza l’energia del sole per produrre elettricità, sfruttando il principio della fotovoltaica, ovvero la conversione della luce in corrente elettrica.
La cella fotovoltaica è composta principalmente da un materiale semiconduttore, solitamente silicio. Quando la luce del sole colpisce il silicio, alcuni dei suoi elettroni vengono “eccitati” e vengono spinti verso l’alto, dal livello di valenza al livello di conduzione. Questo crea una separazione di carica tra il livello di valenza e quello di conduzione, generando così una tensione elettrica.
Per sfruttare questa tensione, le celle fotovoltaiche sono collegate in serie in un pannello fotovoltaico. I pannelli fotovoltaici possono essere installati su tetti, terrazze o sulla terra, e possono essere utilizzati per alimentare una varietà di dispositivi, come luci, televisori e computer.
La potenza generata da una cella fotovoltaica dipende da diversi fattori, come l’intensità della luce solare, la temperatura e la qualità del materiale semiconduttore. Una cella fotovoltaica può produrre da circa 0,5 a 1 watt di energia per ogni centimetro quadrato di superficie.
Le celle fotovoltaiche sono una fonte di energia rinnovabile e pulita, poiché non producono alcun tipo di emissione inquinante durante il loro funzionamento. Sono anche molto affidabili e hanno una durata di vita molto lunga, di solito superiore ai 25 anni.
Indice
- Come è fatta una cella fotovoltaica
- Come funzionano
- I benefici dei pannelli fotovoltaici
- I progressi
- La disposizione delle celle fotovoltaiche
1.Come è fatta una cella fotovoltaica
Le celle fotovoltaiche sono composte principalmente da due strati di materiale semiconduttore, solitamente silicio, che vengono posizionati uno sopra l’altro.
Il silicio utilizzato per la produzione di celle fotovoltaiche viene trattato in modo da creare uno strato di materiale “puro”, noto come silicio di alta qualità, e uno strato di materiale “impuro”, noto come silicio “dopato” con impurità come il fosforo o il boro.
Lo strato di silicio di alta qualità viene posizionato sopra quello di silicio dopato e viene chiamato “emettitore”. Lo strato di silicio dopato viene posizionato sotto e viene chiamato “base”.
Quando la luce colpisce la cella fotovoltaica, alcuni fotoni vengono assorbiti dai materiali semiconduttori. Questo processo crea coppie di elettroni e buchi, noti come “portatori di carica”, che vengono separati dalla forza di Coulomb e dall’energia di banda proibita presente nei materiali semiconduttori.
Gli elettroni liberati dal silicio di alta qualità vengono raccolti dall’emettitore e trasmessi attraverso un circuito esterno, mentre i buchi liberati dal silicio dopato vengono raccolti dalla base. In questo modo, viene generata una corrente elettrica che può essere utilizzata per alimentare un carico esterno, come una lampadina o un motore.
È importante notare che le celle fotovoltaiche funzionano solo in presenza di luce, quindi non possono fornire energia durante la notte o in condizioni di scarsa illuminazione. Inoltre, la loro efficienza dipende dal tipo di materiale semiconduttore utilizzato e dalle condizioni ambientali, come la temperatura e l’intensità della luce solare.
Una cella fotovoltaica può avere forme e dimensioni variabili a seconda del costruttore. Di solito le dimensioni sono di forma quadrata con i lati di 12,5 cm con uno spessore di 0,25/0,35 mm. Il materiale comunemente usato è il silicio, dato il suo basso costo.
Silicio
L’introduzione di nuovi materiali ha comportato la creazione di celle fotovoltaiche fatte di diseleniuro di rame, l’indio e il tellururo di cadmio.
Tipologie
Le celle solari variano a seconda del cristallo che le caratterizza:
- celle fotovoltaiche di silicio monocristallino
- celle fotovoltaiche di silicio policristallino
- celle fotovoltaiche di silicio amorfo idrogenato
- celle fotovoltaiche al tellururo di cadmio
- celle fotovoltaiche al seleniuro di rame, indio e gallio
- celle fotovoltaiche in perovskite
Celle fotovoltaiche di silicio monocristallino
Il silicio monocristallino è un materiale semiconduttore molto puro, ottenuto da un unico cristallo di silicio fuso e raffreddato lentamente, in modo da creare una struttura cristallina perfettamente regolare.
Le celle fotovoltaiche di silicio monocristallino sono caratterizzate da un’elevata efficienza di conversione della luce in energia elettrica, che può raggiungere anche il 25%. Inoltre, hanno una buona durata nel tempo e sono resistenti agli shock termici e alle variazioni di temperatura.
Tuttavia, le celle fotovoltaiche di silicio monocristallino sono anche le più costose da produrre, a causa del processo di produzione più complesso e costoso rispetto ad altri tipi di celle fotovoltaiche. Inoltre, richiedono una maggiore superficie per produrre la stessa quantità di energia rispetto ad altri tipi di celle, come quelle di silicio policristallino o a film sottile. La colorazione di queste celle è tipicamente nera.
Il sistema adottato per produrre le celle monocristalline è il sistema Czochralski. Durante questo processo un seme di cristallo viene inserito in un fuso di silicio, all’interno del quale il seme ruota verticalmente in senso antiorario e, immergendosi molto lentamente, fa sì che il fuso stesso possa cristallizzarsi in maniera ordinata sul seme che si sta immergendo.
Al termine tutti i cristalli sono orientati in maniera tale da creare un unico macro cristallo, dando vita a un lingotto di silicio. Questa struttura di base può essere successivamente drogata positivamente o negativamente, utilizzando il Boro o il Fosforo. Il lingotto ottenuto viene tagliato in fette (wafer) molto sottili. Minore sarà lo spessore, maggiore sarà l’efficienza della cella.
Celle fotovoltaiche di silicio policristallino
Uno dei principali vantaggi delle celle fotovoltaiche di silicio policristallino è che sono relativamente economiche rispetto ad altri tipi di celle solari. Sono facili da produrre in grandi quantità, il che significa che possono essere utilizzate in grandi impianti solari o in piccole installazioni domestiche.
Le celle policristalline sono ricavate dagli scarti dell’industria elettronica; sono formate da più cristalli e la loro colorazione tipica è quella del blu cangiante.
Per produrre queste celle il raffreddamento avviene in un bagno termostatico abbastanza lentamente ma in maniera più veloce rispetto al metodo delle celle monocristalline. Al termine verranno depositati filamenti metallici per raccogliere gli elettroni sulla parte caricata negativamente, dal quale poi si creeranno i vari moduli.
Celle fotovoltaiche di silicio amorfo idrogenato
Le celle fotovoltaiche di silicio amorfo idrogenato, spesso abbreviate in “celle solari a film sottile” o “TFSC”, sono un tipo di cella solare che viene utilizzata per convertire l’energia solare in energia elettrica. A differenza delle celle fotovoltaiche di silicio policristallino, che utilizzano un singolo cristallo di silicio per la produzione di energia, le celle solari a film sottile sono realizzate utilizzando uno strato sottile di silicio amorfo idrogenato su un supporto di vetro o plastica.
Le celle fotovoltaiche amorfe presentano una struttura più caotica del silicio perdendo la forma cristallina. Questo permette di realizzare film molto sottili, adattati a superfici che non sono perfettamente piane.
Il processo di creazione di cella amorfa è abbastanza semplice: su un substrato rigido (vetro o metallo) vengono depositati con tecnologie adeguate (sputtering o evaporazione) più strati di materiale, due di questi strati (i più esterni) diventano elettrodi di conduzione, mentre lo strato interno diventa giunzione della cella fotovoltaica.
Le celle solari a film sottile sono molto flessibili e leggere, il che le rende ideali per l’utilizzo in applicazioni in cui le celle tradizionali sarebbero troppo pesanti o rigide. Ad esempio, possono essere utilizzate per la produzione di energia su tetti piani o curvi, o su superfici come veicoli o edifici.
Un altro vantaggio delle celle solari a film sottile è che sono relativamente facili e economiche da produrre. Il processo di produzione del silicio amorfo idrogenato è più semplice rispetto a quello del silicio policristallino, il che significa che le celle solari a film sottile possono essere prodotte a un costo inferiore.
Tuttavia, le celle solari a film sottile hanno anche alcuni svantaggi rispetto alle celle fotovoltaiche di silicio policristallino. Ad esempio, hanno un rendimento leggermente inferiore, con efficienze che possono variare da circa il 6% al 15%. Inoltre, hanno una durata leggermente inferiore, con una vita media di circa 15-20 anni.
Celle fotovoltaiche al tellururo di cadmio
Le celle fotovoltaiche al tellururo di cadmio, spesso abbreviato in “celle solari CdTe”, sono costituite da uno strato sottile di tellururo di cadmio, che è un materiale semiconduttore, e sono dotate di elettrodi che permettono di raccogliere e trasmettere l’energia elettrica generata.
Le celle solari CdTe sono molto efficienti nella conversione dell’energia solare in energia elettrica, con rendimenti che possono raggiungere il 20% o più. Sono anche abbastanza resistenti e durature, e possono durare fino a 25-30 anni con una manutenzione adeguata.
Uno dei principali vantaggi delle celle solari CdTe è che sono relativamente economiche rispetto ad altri tipi di celle solari. Inoltre, sono facili da produrre in grandi quantità, il che significa che possono essere utilizzate in grandi impianti solari o in piccole installazioni domestiche.
Celle fotovoltaiche al seleniuro di rame, indio e gallio
Queste celle fotovoltaiche, spesso abbreviate in “celle solari CIGS”, sono costituite da uno strato sottile di seleniuro di rame, indio e gallio, che è un materiale semiconduttore, e sono dotate di elettrodi che permettono di raccogliere e trasmettere l’energia elettrica generata.
Le celle solari CIGS sono molto efficienti nella conversione dell’energia solare in energia elettrica, con rendimenti che possono raggiungere il 20% o più. Sono anche abbastanza resistenti e durature, e possono durare fino a 25-30 anni con una manutenzione adeguata.
Uno dei principali vantaggi delle celle solari CIGS è che sono relativamente economiche rispetto ad altri tipi di celle solari. Inoltre, sono facili da produrre in grandi quantità, il che significa che possono essere utilizzate in grandi impianti solari o in piccole installazioni domestiche.
Le celle solari CIGS sono generalmente utilizzate in moduli solari, che sono costituiti da un certo numero di celle solari CIGS montate in un telaio.
Celle fotovoltaiche in perovskite
Le celle fotovoltaiche in perovskite sono un tipo di cella solare emergente che sta attirando l’attenzione per le sue promettenti proprietà fotovoltaiche. La perovskite è un materiale cristallino con una struttura chimica simile al diamante, che può essere utilizzato come semiconduttore per la produzione di energia elettrica.
Le celle solari in perovskite sono relativamente semplici e convenienti da produrre, poiché possono essere realizzate utilizzando processi a basso costo e a bassa temperatura. Inoltre, hanno un’elevata efficienza di conversione dell’energia solare in energia elettrica, con rendimenti che possono raggiungere il 25% o più.
Uno dei principali vantaggi delle celle solari in perovskite è la loro versatilità. Possono essere utilizzate in una varietà di applicazioni, dalle piccole installazioni domestiche alle grandi impianti solari, e possono essere integrate facilmente in moduli solari esistenti. Inoltre, possono essere realizzate su supporti flessibili, il che le rende ideali per l’utilizzo in dispositivi portatili o in edifici con forme complesse.
Tuttavia, le celle solari in perovskite hanno anche alcune sfide da affrontare prima di diventare una tecnologia fotovoltaica mainstream. Ad esempio, hanno una durata relativamente breve, con una vita media di circa 5-10 anni. Inoltre, alcuni materiali utilizzati per la produzione di celle solari in perovskite, come il cadmio e il piombo, sono considerati tossici e potrebbero rappresentare un rischio per l’ambiente e la salute umana.
Confronto tra le varie tecnologie di celle fotovoltaiche
2.Come funzionano
Il principio di funzionamento delle celle fotovoltaiche è abbastanza semplice: utilizzano l’energia solare per produrre energia elettrica. Le celle fotovoltaiche sono costituite da uno strato sottile di materiale semiconduttore, come il silicio o la perovskite, che è sottoposto a un processo di “enfatizzazione” per rendere i suoi elettroni più mobili. Quando la luce del sole colpisce la cella solare, gli elettroni vengono eccitati e cominciano a muoversi liberamente all’interno del materiale semiconduttore.
Per raccogliere l’energia elettrica generata, le celle fotovoltaiche sono dotate di elettrodi che vengono posizionati ai bordi dello strato di materiale semiconduttore.
Gli elettroni che si muovono liberamente all’interno del materiale semiconduttore vengono attratti verso gli elettrodi, creando un flusso di corrente elettrica.
La cella è formata da due strati, N e P, dotati rispettivamente di carica negativa e positiva. La superficie anti-riflettente permette alle celle di assorbire la luce solare.
La struttura della cella assorbe il fotone (una particella di luce), che entra in contatto con lo strato positivo della cella. A seguito della prossimità con P, il fotone rilascia un elettrone, che viene incanalato verso il circuito, generando così l’elettricità.
Un buon modello matematico per l’analisi del suo funzionamento è l’equazione del diodo ideale di Shockley.
La cella fotovoltaica rappresenta soltanto uno dei nuclei dei pannelli fotovoltaici. Ogni cella infatti è collegata alle restanti mediante elementi metallici, dando vita a circuiti in parallelo o in serie.
Dalla loro unione nasce il modulo fotovoltaico, noto anche come pannello solare, il dispositivo che cattura la luce del sole, avviando il processo di mutazione in energia elettrica. Il modulo viene posizionato su dei telai di sostegno, in modo da consentire l’orientamento e l’inclinazione corretti.
I pannelli fotovoltaici monocristallini sono costituiti da 48, 60, 72 o 96 celle ciascuno. La maggior parte delle celle solari in commercio producono una tensione di circa 0,6 V e vengono messe in serie per ottenere tensioni più alte. La pratica di classificare i prodotti in commercio in 12, 18 o 24 V non deriva dalla tensione al suo punto di massima efficienza, ma dalla possibilità di collegarvi una batteria ricaricabile con analoga tensione nominale.
Ecco un breve tutorial su YouTube su come funziona un pannello fotovoltaico.
3.I benefici dei pannelli fotovoltaici
Gli impianti fotovoltaici sono una fonte di energia rinnovabile e pulita, che permette di trasformare l’energia solare in elettricità. Essi presentano numerosi benefici, sia a livello economico che ambientale.
In primo luogo, gli impianti fotovoltaici possono aiutare a ridurre i costi energetici a lungo termine. Una volta installati, infatti, essi permettono di produrre energia elettrica in modo gratuito, utilizzando come fonte primaria l’energia solare. Inoltre, in molti paesi esistono incentivi e agevolazioni fiscali per chi decide di installare impianti fotovoltaici, che rendono ancora più conveniente l’investimento.
Inoltre, gli impianti fotovoltaici contribuiscono a ridurre le emissioni di gas serra, responsabili del cambiamento climatico. L’energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili, infatti, non emette gas serra durante la sua produzione, a differenza di quella prodotta da fonti non rinnovabili come il carbone o il petrolio.
Gli impianti fotovoltaici possono essere installati sia su edifici residenziali che su quelli industriali o commerciali, e possono essere integrati anche con sistemi di accumulo dell’energia, come le batterie, per consentire l’utilizzo dell’energia prodotta anche durante le ore notturne o in caso di maltempo.
Inoltre, gli impianti fotovoltaici possono contribuire a rendere l’energia elettrica più affidabile e stabile, poiché non dipendono da fattori esterni come il prezzo del petrolio o le condizioni meteorologiche.
Insomma, gli impianti fotovoltaici rappresentano un’ottima soluzione per chi vuole ridurre i propri costi energetici a lungo termine, contribuire alla riduzione delle emissioni di gas serra e alla tutela dell’ambiente, e garantire un’energia elettrica affidabile e stabile.
4.Progressi
le celle solari sottili
Le celle solari sottili sono una tecnologia emergente nel campo dell’energia solare. Sono realizzate utilizzando materiali altamente conduttivi, come il silicio o il grafene, ma sono molto più sottili di una cella solare tradizionale, occupando meno spazio e rendendole ideali per l’integrazione in edifici, veicoli e altre strutture.
Le celle solari sottili hanno anche una maggiore efficienza rispetto alle celle solari tradizionali. Ciò significa che sono in grado di convertire una maggiore quantità di luce solare in energia elettrica, rendendole più efficienti nel trasformare l’energia solare in energia utilizzabile.
Le celle solari sottili sono anche molto leggere e flessibili, il che le rende facili da installare e maneggiare. Possono essere piegate e arrotolate, il che le rende ideali per l’uso in aree dove lo spazio è limitato o dove è difficile installare pannelli solari tradizionali.
Ci sono molti vantaggi nell’utilizzo delle celle solari sottili, ma ci sono anche alcune sfide. Una sfida principale è il costo di produzione, che è ancora piuttosto elevato. Tuttavia, con l’aumento della domanda e della produzione, si prevede che i prezzi scenderanno nel tempo.
Celle solari tandem
Le celle solari tandem utilizzano due o più tipi di materiali per catturare l’energia solare. Questi materiali sono sovrapposti l’uno sull’altro in modo da ottenere una maggiore efficienza nella conversione dell’energia solare in energia elettrica.
Uno dei vantaggi delle celle solari tandem è la loro alta efficienza. Possono convertire fino al 40% dell’energia solare in energia elettrica, il che le rende più efficienti rispetto alle celle solari tradizionali, che hanno un’efficienza di circa il 25%.
Le celle solari tandem sono anche piuttosto leggere e flessibili, facili da installare e maneggiare. Possono essere piegate e arrotolate, ideali per l’uso in aree dove lo spazio è limitato o dove è difficile installare pannelli solari tradizionali.
Un altro vantaggio delle celle solari tandem è la loro durata. Possono durare fino a 30 anni, più di quelle tradizionali, che hanno una durata di circa 20 anni.
Il costo di produzione è ancora troppo elevato ma è probabile che, con l’aumento della domanda e della produzione, i prezzi possano diventare accessibili.
Celle fotovoltaiche spaziali
Le celle fotovoltaiche spaziali sono un tipo di cella solare utilizzato per fornire energia ai veicoli spaziali e alle attrezzature spaziali. Sono realizzate con materiali altamente conduttivi, come il silicio, e sono in grado di convertire l’energia solare in energia elettrica con un’efficienza elevata.
Queste celle sono progettate per funzionare in condizioni estreme, come il vuoto dello spazio e le alte radiazioni. Sono anche molto leggere e flessibili, il che le rende facili da installare.
Una delle principali sfide nello sviluppo delle celle fotovoltaiche spaziali è la loro durata. Le celle solari spaziali devono essere in grado di resistere alle radiazioni cosmiche e alle temperature estreme per molti anni, il che richiede materiali altamente resistenti.
In Estonia stanno iniziando a rivalutare l’utilità industriale della pirite, minerale molto comune, formato da disolfuro di ferro e di colore dorato o tendente al giallo chiaro, presente in larga misura sul suolo lunare. Lo sviluppo di questa tecnologia permetterà ai futuri avamposti dell’Agenzia spaziale europea (ESA) e dei suoi partner internazionali, di garantirsi il necessario fabbisogno di elettricità sulla luna.
Celle anti solari
Le celle antisolari sono un tipo di cella fotovoltaica che, a differenza delle celle solari tradizionali, sfrutta l’energia del calore anziché della luce per produrre energia elettrica. Sono anche note come celle termoelettriche o celle a termocoppia.
Le celle antisolari sono realizzate con materiali altamente conduttivi, come il silicio o il grafene, che sono in grado di convertire il calore in energia elettrica. I due lati della cella, essendo a temperature differenti, creano un flusso di corrente verso il lato più freddo.
Le celle antisolari hanno molti vantaggi rispetto alle celle solari tradizionali perché sfruttando l’energia del calore, riescono a produrre corrente elettrica anche in condizioni di luce debole o in assenza di luce solare. Inoltre hanno una grande efficienza che può raggiungere il 50%.
Cella solare organica-perovskite
L’ architettura di questa cella permette di sfruttare in contemporanea le diverse capacità dei materiali, nello specifico la capacità di assorbire le lunghezze d’onda ultraviolette e visibili della luce con i semiconduttori a base di carbonio e quelle nel vicino infrarosso con le perovskiti.
Questa particolare cella solare organica-perovskite ha mostrato un’efficienza del 24%.
Cella termofotovoltaica
Recenti studi hanno permesso la creazione di una cella termofotovoltaica in grado di catturare il calore e trasformarlo in elettricità, il tutto con valori di efficienza di conversioni vicine al 40%.
Le caratteristiche di questo nuovo motore termico sono simili a quelle delle celle fotovoltaiche tradizionali, ma cattura fotoni ad alta energia da una fonte incandescente per generare elettricità, riuscendo così a produrre energia da temperature comprese tra i 1.900 e i 2.000° C. Grazie a questo meccanismo si avrà la possibilità di aumentare l’approvvigionamento dalla rete anche quando l’energia da fonti pulite non è sufficiente.
Celle fotovoltaiche-piezoelettriche
I ricercatori della Ritsumeikan University hanno migliorato le prestazioni del fotovoltaico a film sottile utilizzando un semiconduttore piezoelettrico. Questo permetterà di migliorare le prestazioni di dispositivi optolettronici come le celle solari.
L’ effetto che ne scaturisce è quello di modulare in modo efficiente l’energia del gap di banda alla giunzione pn (interfaccia) delle celle, incrementando di conseguenza anche l’efficienza.
Celle solari flessibili
Le celle flessibili sono realizzate in seleniuro di indio rame gallio (CIGS) e sono caratterizzate da un’efficienza luminosa di conversione pari al 22%.
Il CIGS è un materiale che si distingue per la sua notevole flessibilità e leggerezza, e rappresenta un’ottima alternativa per consentire la produzione dell’elettricità solare a basso costo nel prossimo futuro.
Resistenti e indistruttibili, queste celle flessibili risultano particolarmente adatte per applicazioni su edifici, veicoli, satelliti e dispositivi portatili.
5.La disposizione delle celle fotovoltaiche
Le celle fotovoltaiche sono, a tutti gli effetti, simili ai diodi e si comportano come delle pile. Possono essere collegate in serie o in parallelo. Il collegamento in serie, ottenuto collegando il lato positivo di una cella con il negativo di un’altra cella, genera una tensione doppia (somma delle due), mentre l’intensità elettrica rimane costante.
Lo stesso accade anche sulla curva amperometrica: collegando le celle in serie, la curva presenta un incremento di ascisse (tensione).
Per variare l’intensità di corrente, invece, è necessario collegare le celle in in parallelo; in questo modo, collegando gli elettrodi positivi tra loro e quelli negativi tra loro, si ottiene una tensione costante, mentre l’intensità di corrente aumenta e la curva amperometrica si sposterà verso l’alto.
Le celle fotovoltaiche sono anche fortemente influenzate dalla temperatura. Raggiungendo alte temperature si ha un brusco abbassamento di tensione. Temperature elevate possono compromettere l’efficienza dei legami e diminuire le prestazioni.
Anche una variazione dell’angolo di incidenza della luce solare comporta un cambiamento dell’efficienza. In particolare, diminuendo l’incidenza si abbassa l’intensità elettrica.
Pertanto, prima di installare un impianto è fondamentale far riferimento ai dati climatici concreti reperiti da atlanti solari o misurazioni sul campo, possibilmente adoperando uno specifico software fotovoltaico che fornisce i dati reali di irraggiamento solare prelevati dalle principali banche dati climatiche di riferimento.