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.
