28 Le celle fotovoltaiche - Robert MacDawell

Una descrizione dettagliata delle celle solari
Le celle fotovoltaiche, conosciute anche come celle solari, rappresentano il fondamento degli impianti solari fotovoltaici per la generazione di energia pulita e rinnovabile. Questi dispositivi elettrici hanno la capacità di trasformare l’energia solare in elettricità, sfruttando l’effetto fotovoltaico. Grazie all’uso di semiconduttori come il silicio, le celle trasformano un’energia inesauribile in una soluzione pratica e sostenibile per il nostro futuro energetico.

La definizione di celle fotovoltaiche o celle solari
Le celle fotovoltaiche, fondamentali nella generazione di energia dall’irraggiamento solare, rappresentano un pilastro tecnologico della nostra transizione verso fonti energetiche più sostenibili. Queste celle solari sfruttano il silicio come materiale principale, il quale possiede una caratteristica essenziale: richiede una quantità minima di energia per attivare gli elettroni di valenza e generare così una corrente elettrica quando colpito dalla luce solare.
Per consentire agli elettroni di passare dalla banda di valenza alla banda di conduzione, si utilizza una pratica chiamata drogaggio. Questo processo comporta l’inserimento di impurità, come il boro (che aggiunge cariche positive) e il fosforo (che aggiunge cariche negative), all’interno del semiconduttore di silicio.
Il drogaggio crea una sorta di barriera, conosciuta come zona di giunzione, che richiede una differenza di potenziale per essere superata. Questo processo consente la formazione di un diodo, il quale facilita il flusso di corrente elettrica in un’unica direzione, trasformando così l’energia luminosa in energia elettrica utilizzabile.

Com’è composta una cella fotovoltaica?
Una cella fotovoltaica è costituita da vari strati che svolgono ruoli specifici nel processo di conversione dell’energia solare. Tra gli elementi principali si includono:
Strato superiore antiriflesso: Questo strato è progettato per ridurre le perdite di energia causate dalla riflessione della luce solare sulla superficie della cella fotovoltaica, migliorando così l’assorbimento della luce solare
Strato di drogaggio: Fondamentale per la creazione della zona di giunzione, questo strato è responsabile della generazione di corrente elettrica quando la luce solare colpisce la cella
Strato di contatto posteriore: Questo strato facilita il collegamento elettrico per consentire il flusso di corrente verso l’esterno della cella, trasportando l’energia prodotta verso l’inverter per la sua conversione in energia elettrica utilizzabile
Strato di supporto: Questo strato fornisce il supporto strutturale alla cella fotovoltaica, garantendo la protezione degli strati interni e contribuendo alla sua durabilità nel tempo
Insieme, questi strati lavorano sinergicamente per massimizzare l’efficienza della cella fotovoltaica e consentire la generazione di energia pulita e sostenibile a partire dall’irraggiamento solare.
Solitamente, le celle solari sono caratterizzate da una forma quadrata, con dimensioni di circa 12,5 cm per lato, e uno spessore che oscilla tra 0,25 e 0,35 mm.
Come accennato nel paragrafo precedente, silicio è il materiale più diffuso per la realizzazione di queste celle solari. Tuttavia, l’avvento dei sistemi a film sottile ha condotto all’introduzione di nuovi componenti per la costruzione delle celle fotovoltaiche, come il diseleniuro di rame, l’indio e il tellururo di cadmio.
I dispositivi elettrici fotovoltaici sono equipaggiati di due strati, N e P, dotati rispettivamente di carica negativa e positiva. Grazie alla superficie anti-riflettente, le celle solari sono in grado di assorbire la luce solare.

Come funzionano le celle fotovoltaiche?
Le celle fotovoltaiche funzionano grazie all’effetto fotovoltaico, trasformando l’energia solare incidente in elettricità. La struttura assorbe il fotone (una particella di luce), che entra in contatto con lo strato positivo della cella solare. A seguito dell’attiguità con P, il fotone rilascia un elettrone, che viene incanalato verso il circuito, generando così l’elettricità tramite la cella fotovoltaica.
Attenzione però: le celle solari rappresentano soltanto uno dei nuclei dei pannelli solari fotovoltaici e dunque di un impianto fotovoltaico. Ogni cella fotovoltaica è collegata alle restanti mediante elementi metallici, che danno vita a circuiti in parallelo o in serie. Dalla loro unione nasce il modulo fotovoltaico, noto anche come pannello solare fotovoltaico, il dispositivo che cattura la luce del sole, avviando il processo di trasformazione in energia elettrica. Il modulo fotovoltaico viene posizionato su delle strutture di sostegno, in modo da consentire l’orientamento e l’inclinazione corretti.

Quali sono le tipologie di celle fotovoltaiche?
Per continuare, è utile sapere che in commercio esistono diverse tipologie di celle fotovoltaiche, tra le principali troviamo:
Le celle solari di silicio monocristallino (quelle che utilizziamo in Otovo): le celle solari in silicio monocristallino sono di colore blu scuro, tendente al nero. I dispositivi sono composti da cristalli di silicio monocristallino e si caratterizzano per i bordi smussati e l’orientamento tutti nella stessa direzione. I pannelli solari fotovoltaici realizzati con questo tipo di celle fotovoltaiche garantiscono un’efficienza energetica del 18-21 %, in presenza di luce perpendicolare
Le celle solari di silicio policristallino: le celle solari di silicio policristallino sono costituite da cristalli di silicio con orientamento diverso. I moduli solari fotovoltaici composti da tali celle solari sono dotati di un’efficienza inferiore rispetto alle prime in silicio monocristallino, ma riescono a sfruttare in miglior modo il rendimento durante la giornata
Le celle solari di silicio amorfo idrogenato: le celle solari fotovoltaiche in silicio amorfo idrogenato appartengono ai dispositivi di seconda generazione. I pannelli fotovoltaici realizzati con questo materiale assicurano una performance maggiore e un basso degrado del modulo. In questa maniera, i pannelli fotovoltaici garantiscono una maggiore efficienza energetica
Le celle solari al tellururo di cadmio: il tellururo di cadmio rappresenta un ottimo semiconduttore per la realizzazione dei pannelli fotovoltaici, nonostante venisse inizialmente considerato come un materiale di scarto dell’estrazione dei minerali. Le celle solari di questa tipologia sono dotate di una maggiore capacità di assorbimento della luce e sopportano più a lungo l’esposizione a temperature elevate. Tuttavia, il tellururo di cadmio è un elemento tossico, da maneggiare con cura e con precisi accorgimenti di contenimento
Le celle solari al seleniuro di rame, indio e gallio: le celle solari al seleniuro di rame, indio e gallio rappresentano uno dei migliori prodotti della ricerca per l’energia solare. Questo materiale è caratterizzato dal più alto coefficiente di assorbimento tra i semiconduttori adoperati per le celle solari. L’efficienza dei pannelli solari fotovoltaici realizzati con tali celle solari è superiore al 21%
Le celle solari in perovskite: la perovskite è un minerale di biossido di titanato di calcio, che si contraddistingue per la struttura cristallina estremamente regolare. Le celle solari in perovskitiche sono state oggetto di un’intensa attività di ricerca, considerati i bassi costi di produzione e l’elevato coefficiente di efficienza. Tuttavia, la lavorazione delle celle solari fotovoltaiche in perovskite richiede l’impiego del piombo, una sostanza inquinante.

Come connettere le celle fotovoltaiche?
Le celle solari vengono connesse tra loro per formare i pannelli solari fotovoltaici, che sono gli elementi fondamentali di un sistema fotovoltaico. Ecco i passi generali per connettere le celle solari:
Preparazione delle celle solari: Le celle solari, di solito fatte di silicio cristallino o altri materiali semiconduttori, vengono preparate per essere assemblate. Questo può includere la pulizia delle celle e l’applicazione di strati protettivi o conduttivi
Disposizione delle celle solari: Le celle solari vengono disposte su un substrato, come vetro o plastica, in modo da formare il pannello solare. Esistono diverse disposizioni possibili, tra cui celle disposte in serie, parallelo o una combinazione di entrambi, a seconda delle specifiche esigenze del progetto
Collegamento delle celle solari: Le celle solari vengono collegate tra loro utilizzando fili conduttori o strisce di metallo. Le connessioni possono essere fatte in serie, parallelo o in una combinazione dei due, a seconda delle specifiche esigenze di tensione e corrente del pannello solare
Saldatura o incollaggio: Una volta che le celle solari sono collegate tra loro, vengono saldate o incollate saldamente al substrato per formare il pannello solare. Questo passaggio assicura una connessione stabile e duratura tra le celle e il substrato
Test e controllo qualità: Dopo l’assemblaggio, il pannello solare viene sottoposto a test per garantire che tutte le connessioni siano corrette e che il pannello funzioni correttamente. Questi test possono includere misurazioni di tensione e corrente, nonché test di resistenza e durabilità
Una volta che i pannelli solari sono assemblati e testati con successo, possono essere installati all’interno di un sistema fotovoltaico più ampio per generare energia solare. È importante eseguire l’assemblaggio e l’installazione dei pannelli solari seguendo le linee guida e le normative di sicurezza appropriate per garantire un funzionamento sicuro ed efficiente del sistema fotovoltaico.

Collegamento in serie o in parallelo delle celle fotovoltaiche
È importante sapere che esistono diversi metodi di collegamento per i pannelli fotovoltaici, ciascuna con caratteristiche e vantaggi distinti. Le due configurazioni principali sono il collegamento in serie e il collegamento in parallelo.
Nel collegamento in serie, i terminali positivi di un pannello solare sono collegati ai terminali negativi del pannello successivo. Questo tipo di collegamento aumenta la tensione complessiva del sistema, poiché le tensioni dei singoli pannelli solari si sommano. Il collegamento in serie è spesso utilizzato quando è necessario aumentare la tensione del sistema per adattarsi ai requisiti di tensione di specifiche applicazioni. Tuttavia, è importante considerare che la corrente rimane costante in un circuito in serie.

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Nel collegamento in parallelo, i terminali positivi di tutti i pannelli sono collegati tra loro e lo stesso per i terminali negativi. Questo tipo di collegamento mantiene la tensione costante, ma la corrente si somma tra i pannelli. Il collegamento in parallelo è comunemente utilizzato quando è necessario mantenere una tensione costante ma aumentare la corrente disponibile. Questo è particolarmente utile in situazioni in cui è richiesta una maggiore corrente per alimentare dispositivi o carichi ad alta potenza

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Entrambe le configurazioni di collegamento hanno i loro vantaggi e le loro applicazioni specifiche. Ad esempio, il collegamento in serie è spesso preferito per sistemi fotovoltaici residenziali o commerciali in cui è necessaria una tensione più elevata, mentre il collegamento in parallelo è più adatto per sistemi in cui è richiesta una maggiore corrente. La scelta tra i due dipende dalle specifiche esigenze del sistema e dalle condizioni ambientali in cui verrà utilizzato il sistema fotovoltaico.

Cosa può influire sul rendimento delle celle fotovoltaiche?
La resa delle celle solari fotovoltaiche è notevolmente influenzata da diversi fattori di produzione e di contesto. Anche se i dettagli precisi dei processi di produzione non sono sempre spiegati per motivi commerciali, è ragionevole supporre che la qualità delle celle solari dipenda dalle condizioni di taglio dei cristalli e blocchi di quarzo, oltre alle modalità di crescita dei cristalli monocristallini.
Aspetti come la smerigliatura delle piastrelle, la pulizia, la ventilazione e la temperatura dei luoghi di produzione giocano infatti un ruolo cruciale nella definizione della qualità delle celle solari.
Indipendentemente dall’analisi comparativa o dall’utilizzo effettivo delle celle solari, ci sono diversi fattori chiave che possono influenzare in modo costante il funzionamento e l’efficienza di queste tecnologie solari:
Configurazione del tetto: Le caratteristiche strutturali del tetto, come la sua dimensione, forma e inclinazione, possono avere un impatto significativo sull’efficienza dei pannelli solari, determinando quanto efficacemente possano essere esposti alla luce solare
Angolazione del tetto rispetto ai raggi solari: L’angolazione del tetto rispetto alla posizione del sole durante diverse ore del giorno e stagioni dell’anno può influenzare direttamente la quantità di luce solare che i pannelli possono catturare
Stagione e intensità della luce solare: Le variazioni stagionali e giornaliere nell’intensità della luce solare possono influenzare la quantità di energia solare disponibile per essere convertita in elettricità dai pannelli fotovoltaici
Tempo di assorbimento della luce solare (misurato in ore): Il tempo durante il quale i pannelli solari sono esposti alla luce solare diretta, misurato in ore di esposizione, è un fattore cruciale che determina la quantità di energia solare assorbita e convertita in elettricità
Temperatura delle celle solari durante il funzionamento: La temperatura delle celle solari durante il funzionamento può influenzare la loro efficienza. Temperature più elevate possono ridurre l’efficienza di conversione dell’energia solare in elettricità, mentre temperature più basse possono aumentarla
In questa infografica riassuntiva trovi elencati tutti i fattori che possono influire sul rendimento delle celle fotovoltaiche!
Celle Fotovoltaiche – Cosa Influisce
La temperatura delle celle fotovoltaiche è particolarmente rilevante, poiché la loro efficienza diminuisce quando raggiungono temperature elevate, creando una sorta di paradosso nelle giornate molto soleggiate e calde, che sono quelle con l’intensità solare maggiore. Altri elementi come l’ombreggiatura e la stagione dell’anno influenzano direttamente la quantità di elettricità generata.
In primavera e in estate, con un maggior numero di giorni di sole e un’alta intensità luminosa, uniti a un angolo di inclinazione adeguato delle celle solare, si otterranno sicuramente risultati più soddisfacenti.

Alcune curiosità sulle celle fotovoltaiche.
54 celle fotovoltaiche per i più recenti moduli solari
Fino a poco tempo fa gli impianti fotovoltaici di taglia residenziale erano formati da moduli solari da 60 celle fotovoltaiche. Nel corso degli anni, i prodotti si sono evoluti ed è ora possibile installare sistemi fotovoltaici costituiti da meno moduli ma con la stessa potenza. In questo contesto, diversi produttori di pannelli fotovoltaici hanno lanciato sul mercato i moduli solari fotovoltaici con 54 celle fotovoltaiche, che con la tecnologia half cut arrivano a 108 mezze celle.
Considerando le problematiche relative allo spazio sui tetti, questi moduli fotovoltaici potrebbero essere una delle migliori soluzioni sul mercato.
I progressi delle celle fotovoltaiche sottili
Le celle solari sottili rappresentano una soluzione versatile e innovativa nel campo dell’energia solare. Queste celle offrono un’alternativa efficace alle celle solari tradizionali, consentendo di portare il fotovoltaico in luoghi dove prima era difficile o impossibile.
Recentemente, si è assistito a significativi progressi nella tecnologia delle celle solari sottili, rendendole sempre più sottili e flessibili. Questo rende più agevole l’integrazione di tali celle solari in una vasta gamma di applicazioni, dalle superfici edili agli indumenti tecnici. Tuttavia, è importante notare che il ridotto spessore delle celle solari sottili può comportare una riduzione dell’efficienza rispetto alle celle solari tradizionali.
Nonostante questa potenziale limitazione, le celle solari sottili offrono numerosi vantaggi, tra cui la leggerezza, la flessibilità e la possibilità di adattarsi a superfici curve o irregolari. Ciò le rende particolarmente adatte per applicazioni in cui le celle solari tradizionali non sarebbero pratiche o esteticamente accettabili. Ad esempio, possono essere integrate direttamente nei tessuti per creare indumenti che generano energia solare, o installate su superfici curvilinee come veicoli e strutture architettoniche moderne.
Inoltre, le celle solari sottili possono essere più economiche da produrre rispetto alle loro controparti tradizionali, grazie a processi di produzione semplificati e materiali meno costosi. Questo potrebbe rendere l’energia solare più accessibile a un numero maggiore di persone e contribuire a accelerare l’adozione delle energie rinnovabili su scala globale.
Celle fotovoltaiche tandem: cosa sono?
Tra le ultime notizie che abbiamo trovato sulle celle solari fotovoltaiche c’è il concetto di fotovoltaico tandem, un’unione di celle solari diverse dalle allettanti potenzialità. Secondo una delle ultime ricerche di settore, questa tipologia di celle può raggiungere un’efficienza del 28,7%, la più alta per questa categoria.
Ottime notizie! I primi pannelli fotovoltaici tandem in perovskite su silicio sono già sul mercato e hanno un livello di efficienza di 24,5%.
Celle fotovoltaiche spaziali: la produzione sulla luna
Come si legge in un articolo di Rinnovabili.it, alcuni studiosi della Tallin University of Technology, 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.
La scienziata Katriin Kristmann sta studiando un nuovo metodo per produrre celle solari e questo materiale potrebbe costituire una promettente fonte di energia per la Luna. La ricerca, infatti, è improntata all’utilizzo di materiali facilmente reperibili nel suolo lunare, con con la previsione di impiegare i risultati per fornire elettricità ai futuri avamposti dell’Agenzia spaziale europea (ESA) e dei suoi partner internazionali. E si farebbe partire il tutto da minuscoli cristalli di pirite dalle dimensioni di appena quattro centesimi di millimetri.
celle fotovoltaiche nello spazio
Un nuovo record: la cella solare organica-perovskite
Nuovo record per la ricerca dei semiconduttori organici. Il team del prof. Thomas Riedl dell’Università di Wuppertal ha realizzato una cella solare organica-perovskite. La sua architettura 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 fotovoltaica organica-perovskite ha mostrato un’efficienza del 24%, superando il passato record mondiale di ben quattro punti.
La nuova cella termofotovoltaica che trasforma il calore in energia elettrica
Ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) e del National Energy Laboratory hanno pubblicato i risultati di una ricerca illuminante. Hanno studiato nel dettaglio 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 solari tradizionali, ma cattura fotoni ad alta energia da una fonte incandescente per produrre 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.
Nuove celle fotovoltaiche flessibili
Le celle solari 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 solari flessibili risultano particolarmente adatte per applicazioni su edifici, veicoli, satelliti e dispositivi portatili.

Conclusione.
Abbiamo analizzato come queste tecnologie siano in grado di convertire l’energia solare in elettricità, offrendo un’alternativa sostenibile e efficiente per la produzione di energia elettrica.
Robert MacDawell – Survival & Bushcraft

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