Celle fotovoltaiche

Costruzione della cella fotovoltaica

Il materiale conduttore privilegiato, alla base della cella fotovoltaica, è il silicio. Esso viene ridotto in una lastra sottile larga circa 125 x 125 mm e spessa 0,25 e 0,35 mm. La cella è composta da due lastre collegate ad un utilizzatore collocato tra esse, da cui la definizione di wafer fotovoltaico. Il materiale conduttore della cella, per poter generare energia fotovoltaica, necessita di alcuni trattamenti preliminari. Si comincia dalla pulizia per poi proseguire col drogaggio, un particolare trattamento chimico che vede l'inserimento, tra i cristalli di silicio, di atomi di altri elementi quali il boro e il fosforo. E' proprio la presenza di questi atomi che consente di generare il campo elettrico durante l’esposizione della cella alla luce solare. Successivamente al drogaggio viene applicato un sottile strato antiriflesso di biossido di titanio, quindi si realizzano i contatti elettrici anteriori e posteriori. Infine la cella viene testata e classificata a seconda delle specifiche caratteristiche elettriche. La classificazione consente di realizzare moduli fotovoltaici composti da celle omogenee, determinanti per la qualità della prestazione.

La conversione in luce dell’elettricità o effetto fotovoltaico

Nella cella l’energia viene prodotta già dal primo momento di esposizione alla luce solare. I fotoni, prodotti dalle radiazioni, vengono assorbiti dagli elettroni degli atomi presenti nella cella fotovoltaica, dando luogo ad un movimento di elettroni che inducono un flusso di corrente elettrica. Il tipo di materiale che compone la cella determina la percentuale di energia catturata dalle radiazioni solari e la conseguente trasformazione in elettricità. Questo valore percentuale è chiamato Efficienza di Conversione e costituisce un' importante coefficiente tecnico di riferimento per stabilire la qualità dell’impianto solare. Il silicio viene prescelto tra i materiali conduttori proprio in virtù di questo coefficiente che oscilla, allo stato naturale, tra il 13 ed il 20% mentre, prodotto in laboratorio, può raggiungere anche il 32 %. La potenza generata dalla cella varia invece in base a tre variabili principali che sono: la dimensione della cella, la forza ed intensità della radiazione solare e la temperatura raggiunta.

Wafer mono e multi cristallo, silicio amorfo

Le celle fotovoltaiche si differenziano in base a come vengono formate le lastre di silicio. Il wafer monocristallo è composto da due lastre prodotte cristallizzando una piccolissima parte di materiale, molto puro, dentro del silicio liquido. Il materiale, così cristallizzato, viene successivamente estratto e raffreddato lentamente fino ad ottenere un lingotto cilindrico di monocristallo lungo circa 200 cm, con un diametro tra 13 ed i 30 cm. Il lingotto subisce quindi il trattamento di drogaggio, con l’aggiunta di boro, per poi essere ridotto in lastre sottilissime. Il wafer multi cristallo, invece, si produce fondendo, e successivamente cristallizzando, il silicio proveniente dagli scarti dell’industria elettronica. Il silicio fuso e cristallizzato viene raccolto in un panetto rettangolare da tagliare successivamente in lastre sottili. Il wafer multi cristallo gode di ottima efficienza di conversione ed è reperibile a costi inferiori rispetto al monocristallo. Molte aziende producono moduli fotovoltaici utilizzando deposizioni di silicio non cristallizzato, ma amorfo, su ampie superfici, quindi in questo caso non si può parlare di celle fotovoltaiche. Questa tipologia di moduli non è considerata molto stabile nel tempo, motivo per cui viene utilizzata soprattutto per alimentare piccoli utilizzatori, quali piccole calcolatrici e orologi. Attualmente si sta sperimentando una tecnologia che utilizza più strati di silicio amorfo che potrebbe consentire di superare questi limiti di stabilità.

Celle organiche, e ibride

Le celle fotovoltaiche si distinguono anche in organiche e ibride. Le prime utilizzano materiali organici per quanto riguarda la parte attiva dei dispositivi. Le celle fotovoltaiche ibride sono invece così chiamate in quanto costituite sia da materiali organici, che hanno la funzione di assorbire i fotoni delle radiazioni solari, che da materiali inorganici che accettano e trasportano gli elettroni. Il rendimento di produzione elettrica delle celle ibride è piuttosto alto ed ha costi di produzione molto convenienti.

Domande frequenti

Qual è il principio fisico alla base della generazione di energia nelle celle fotovoltaiche?

La generazione di elettricità avviene grazie all'effetto fotovoltaico. Quando i fotoni della luce solare colpiscono la cella, vengono assorbiti dagli elettroni degli atomi di silicio, mettendoli in movimento. Questo flusso ordinato di elettroni crea una corrente elettrica continua. Affinché ciò avvenga efficacemente, il silicio deve essere "drogato" chimicamente con elementi come boro e fosforo per creare un campo elettrico interno che guida gli elettroni verso i contatti elettrici, permettendo così l'estrazione della corrente utile per l'utilizzatore.
Quali fattori influenzano principalmente la potenza generata da una cella fotovoltaica?

La potenza elettrica prodotta dipende da tre variabili fondamentali: la superficie della cella, l'intensità della radiazione solare incidente e la temperatura operativa. Maggiore è l'area esposta ai raggi solari, maggiore sarà l'energia catturata. L'efficienza di conversione, che indica la percentuale di energia solare trasformata in elettricità, varia tipicamente tra il 13% e il 20% per il silicio commerciale, arrivando fino al 32% in ambito laboratoristico. È importante notare che temperature eccessive possono ridurre leggermente l'efficienza complessiva del modulo.
Quali sono le differenze principali tra wafer monocristallini e policristallini?

La differenza risiede nel processo di produzione del silicio. I wafer monocristallini derivano da un unico cristallo di silicio molto puro, coltivato lentamente per formare un lingotto cilindrico; offrono generalmente efficienze più elevate ma costano di più. I wafer policristallini (o multi-cristallini) si ottengono fondendo insieme frammenti di silicio, creando una struttura composta da molti cristalli diversi. Sono meno costosi da produrre e presentano un'ottima efficienza, rendendoli una scelta popolare per il rapporto qualità-prezzo, sebbene leggermente inferiore al monocristallino in termini di resa per metro quadrato.
Cosa sono le celle al silicio amorfo e perché sono limitate?

Le celle al silicio amorfo utilizzano depositi di silicio non cristallizzato su grandi superfici, anziché lastre rigide. Sebbene siano versatili e adatte a piccole applicazioni come orologi o calcolatrici, soffrono di una minore stabilità nel tempo rispetto alle celle in silicio cristallino. La loro efficienza è inferiore e tendono a degradarsi più rapidamente. Tuttavia, la ricerca sta esplorando l'uso di più strati di silicio amorso per migliorare la stabilità e superare questi limiti, ampliandone potenzialmente le applicazioni future.
Come funzionano le celle fotovoltaiche organiche e ibride?

Le celle organiche impiegano materiali organici nella parte attiva del dispositivo per assorbire la luce. Quelle ibride combinano materiali organici, responsabili dell'assorbimento dei fotoni, con materiali inorganici che gestiscono il trasporto degli elettroni. Questa architettura mista offre un rendimento elettrico piuttosto elevato mantenendo costi di produzione contenuti. Rispetto al silicio tradizionale, queste tecnologie promettono flessibilità e processi di fabbricazione più economici, rappresentando un'alternativa interessante per future applicazioni energetiche diffuse.