Funzionamento delle celle fotovoltaiche

Il funzionamento dei dispositivi fotovoltaici si basa sulla capacità di alcuni materiali semiconduttori, opportunamente trattati, di convertire l’energia della radiazione solare in energia elettrica in corrente continua.

Uno di questi elementi è il SILICIO, che compone la cella fotovoltaica. Più celle unite tra loro formano i pannelli fotovoltaici studiati per convertire l’energia elettromagnetica (quella che comunemente chiamiamo “luce”) in energia elettrica, sfruttando le caratteristiche chimico e fisiche del materiale siliceo di cui sono composti

Di seguito viene spiegato a livello microscopico come si passa dall’energia solare alla corrente elettrica:

Per aiutarci nella spiegazione consideriamo il caso più generale, ossia un pannello fotovoltaico costituito da silicio cristallino:
Il silicio puro è un semiconduttore e contiene 4 elettroni di valenza.
Viene drogato, cosicché si generino buche ed elettroni liberi di muoversi in modo ordinato.

Ecco i 2 tipi di drogaggio:

 

Gruppo 3: silicio di tipo p –>caricato positivamente (boro)

 

 

Gruppo 5: silicio di tipo n –> caricato negativamente (fosforo)


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Cos’è un fotone?
E’ la particella elementare che forma la luce. Più in generale è un quanto (elemento elementare) del campo elettromagnetico (la luce è solo la parte visibile delle radiazioni elettromagnetiche). La velocità del fotone nello spazio è quella della luce, ossia 300 milioni di m/s.

 

  •  I pannelli fotovoltaici sono utilizzati in quanto il loro impiego è estremamente flessibile
  • i pannelli fotovoltaici permettono di ottenere energia elettrica a basso costo di esercizio
  • i pannelli fotovoltaici permettono di fruire di una fonte di energia rinnovabile al momento considerata inesauribile ed oltretutto gratuita quale la luce solare!
  • l’impianto fotovoltaico funziona sempre durante le ore diurne, anche quando il sole è velato: infatti i raggi filtrano comunque sulla superficie terrestre e vanno a produrre energia
  • Le condizioni ottimali alle nostre latitudini italiane per favorire la maggiore produzione sono : Impianto fotovoltaico orientato a SUD e con inclinazione dei pannelli (tilt) a circa 33°

Quando si parla di impianti fotovoltaici bisogna sempre fare alcune distinzioni in merito alla schema di realizzazione e la distinzione dipende soprattutto dalla grandezza dell’impianto e dalla sua potenza nominale.

in un impianto tipo per civile abitazione, da 3 kWp, i pannelli fotovoltaici, montati in “serie”, vengono collegati fra loro in una unica stringa; la stringa, prima di essere collegata all’inverter, deve essere separata da un apposito sezionatore come previsto dalla norma CEI 64-8; tale dispositivo permette di scollegare il campo fotovoltaico qualora fossero necessari degli interventi a valle, e, grazie agli scaricatori, permette di salvaguardare l’impianto da possibili scariche atmosferiche o sovratensioni. quindi abbiamo l’inverter che permette di trasformare la corrente da continua ad alternata ed immetterla quindi, passando tramite l’apposito contatore Enel, nella rete. Per la scelta ed il dimensionamento dell’inverter e la configurazione ottimale delle stringhe, alcune case costruttrici mettono a disposizione appositi software.

L’effetto fotovoltaico

Consiste nella conversione diretta della radiazione solare in energia elettrica. Tale fenomeno avviene nella cella fotovoltaica, tipicamente costituita da una sottile lamina di un materiale semiconduttore, molto spesso silicio.

Quando un fotone dotato di sufficiente energia viene assorbito nella cella, nel materiale semiconduttore di cui essa è costituita si crea una coppia di cariche elettriche di segno opposto, un “elettrone” (cioè una carica di segno negativo) ed una “lacuna” (carica positiva). Si dice allora che queste cariche sono “disponibili per la conduzione di elettricità”.

 

Per generare effettivamente una corrente elettrica, però, è necessaria una differenza di potenziale, e questa viene creata grazie all’introduzione di piccole quantità di impurità nel materiale che costituisce le celle. Queste impurità, chiamate anche “droganti”, sono in grado di modificare profondamente le proprietà elettriche del semiconduttore.

Se il materiale semiconduttore, come comunemente accade, è il silicio, introducendo atomi di fosforo, si ottiene la formazione di silicio di tipo “n”, caratterizzato da una densità di elettroni liberi (cariche negative) più alta di quella presente nel silicio normale (intrinseco). La tecnica del drogaggio del silicio con atomi di boro porta, invece, al silicio di tipo “p” in cui le cariche libere in eccesso sulla norma sono di segno positivo.

Una cella fotovoltaica richiede l’intimo contatto, su una grande superficie, di due strati di silicio p ed n. Nella zona di contatto tra i due tipi di silicio, detta “giunzione p-n”, si ha la formazione di un forte campo elettrico.

Le cariche elettriche positive e negative generate, per effetto fotovoltaico, dal bombardamento dei fotoni costituenti la luce solare, nelle vicinanze della giunzione vengono separate dal campo elettrico. Tali cariche danno luogo a una circolazione di corrente quando il dispositivo viene connesso ad un carico. La corrente è tanto maggiore quanto maggiore è la quantità di luce incidente.

Ai fini del funzionamento delle celle, i fotoni di cui è composta la luce solare non sono tutti equivalenti: per poter essere assorbiti e partecipare al processo di conversione, un fotone deve possedere un’energia (hv) superiore a un certo valore minimo, che dipende dal materiale di cui è costituita la cella (Eg). In caso contrario, il fotone non riesce ad innescare il processo di conversione.

L’efficienza di conversione

La cella può utilizzare solo una parte dell’energia della radiazione solare incidente. L’energia sfruttabile dipende dalle caratteristiche del materiale di cui è costituita la cella: l’efficienza di conversione, intesa come percentuale di energia luminosa trasformata in energia elettrica disponibile per celle commerciali al silicio è in genere compresa tra il 12% e il 17%, mentre realizzazioni speciali di laboratorio hanno raggiunto valori del 24%.

L’efficienza di conversione di una cella solare è limitata da numerosi fattori, alcuni dei quali di tipo fisico, cioè dovuti al fenomeno fotoelettrico e pertanto assolutamente inevitabili, mentre altri, di tipo tecnologico, derivano dal particolare processo adottato per la fabbricazione del dispositivo fotovoltaico.

Le cause di inefficienza

Le cause di inefficienza sono essenzialmente dovute al fatto che:

  • non tutti i fotoni posseggono una energia sufficiente a generare una coppia elettrone-lacuna;
  •  l’eccesso di energia dei fotoni non genera corrente ma viene dissipata in calore all’interno della cella;
  •  non tutti i fotoni penetrano all’interno della cella, in parte vengono riflessi;
  • una parte della corrente generata non fluisce al carico ma viene shun­tata all’interno della cella;
  • solo una parte dell’energia acquisita dall’elettrone viene trasformata in energia elettrica;
  • non tutte le coppie elettrone-lacuna generate vengono separate dal campo elettrico di unzione una parte si ricombina all’interno della cella;

Le caratteristiche elettriche della cella

La cella fotovoltaica, quando non viene illuminata, ha un comportamento analogo a quello di un diodo a semiconduttore. In queste condizioni la tensione e la corrente sono legati da una relazione di tipo esponenziale ottenuta risolvendo l’equazione della conservazione della carica.

Quando la cella viene illuminata, la giunzione diviene una sorgente di coppie elettrone-lacuna pertanto, circuitalmente, ha un comportamento analogo a quello di un diodo con in parallelo un generatore di corrente.

Graficamente, invece, la caratteristica tensione corrente di una cella illuminata risulta pari a quella di un diodo, traslata però (verticalmente) di una quantità pari alla corrente fotogenerata.

   

Poiché la corrente fotogenerata varia con l’irraggiamento e con la temperatura (in misura minore), la caratteristica tensione corrente della cella risulta influenzata da questi parametri.

Materiale e processi

Attualmente il materiale più usato è lo stesso silicio adoperato dall’industria elettronica, il cui processo di fabbricazione presenta costi molto alti, non giustificati dal grado di purezza richiesti dal fotovoltaico, che sono inferiori a quelli necessari in elettronica.

Il processo più comunemente impiegato per ottenere silicio monocristallino per uso elettronico parte dalla preparazione di silicio metallurgico (puro al 98% circa), mediante riduzione della silice (SiO2) con carbone in forni ad arco.

Dopo alcuni processi metallurgici intermedi consistenti nella purificazione del silicio metallurgico a silicio elettronico (processo Siemens) e nella conversione del silicio elettronico a silicio monocristallino (metodo Czochralskj), vengono ottenuti lingotti cilindrici (da 13 a 30 cm di diametro e 200 cm di lunghezza) di silicio monocristallino, solitamente drogato p mediante l’aggiunta di boro.

Questi lingotti vengono quindi ‘affettati’ in wafer di spessore che va dai 0,25 ai 0,35 mm.

Da alcuni anni l’industria fotovoltaica sta sempre più utilizzando il silicio policristallino, che unisce ad un grado di purezza comparabile a quello del monocristallino costi inferiori. I lingotti di policristallino, anch’essi di solito drogati p, sono a forma di parallelepipedo e vengono sottoposti al taglio, per ottenerne fette di 0,2÷0,35 mm di spessore.

La fabbricazione della cella

Per fabbricare la cella, la fetta viene prima trattata con decappaggio chimico al fine di eliminare eventuali asperità superficiali e poi sottoposta al processo di formazione della giunzione p-n: il drogaggio avviene per diffusione controllata delle impurità in forni (se ad es. si parte da silicio di tipo p, si fanno diffondere atomi di fosforo, che droga n, con una profondità di giunzione pari a 0,3-0,4 m).

Segue quindi la realizzazione della griglia metallica frontale di raccolta delle cariche elettriche e del contatto elettrico posteriore, per elettrodeposizione o per serigrafia.

Al fine di minimizzare le perdite per riflessione ottica, si opera la deposizione di un sottile strato antiriflesso, per es., di TiO2.

Le celle commerciali

In pratica la tipica cella fotovoltaica è costituita da un sottile wafer, di spessore di 0,25÷0,35 mm circa, di silicio mono o policristallino, opportunamente drogato. Essa è generalmente di forma quadrata e di superficie pari a circa 100 cm2, (sino a 400) e si comporta come una minuscola batteria, producendo – nelle condizioni di soleggiamento standard (1 kW/m2) e a 25 °C – una corrente di 3 A, con una tensione di 0,5 V, quindi una potenza di 1,5 Watt.

L’attuale processo di fabbricazione delle celle si basa sull’utilizzo del silicio:

  • monocristallino dell’industria elettronica, che richiede materiale molto puro mentre le esigenze di purezza della tecnologia fotovoltaica sono molto inferiori;
  • policristallino ottenuto dalla fusione degli scarti dell’industria elettronica, solidificazione direzionale e riduzione del lingotto in fette.
   

La fabbricazione dei moduli

In passato, i piccoli ma sempre crescenti volumi di produzione caratteristici dell’attuale fase di sviluppo dell’industria fotovoltaica sono stati perfettamente compatibili con la quantità, ovviamente limitata, di tali materiali di scarto. Però, per offrire un contributo veramente significativo alla produzione di energia elettrica totale, il fotovoltaico deve raggiungere volumi di produzione enormemente superiori agli attuali e assolutamente non compatibili con la dipendenza da un materiale prodotto da altre industrie e per altri scopi. L’industria fotovoltaica avrà bisogno di materia prima per le celle, a basso costo, in gran quantità, preparato espressamente per la fabbricazione delle celle.

 

Le celle solari costituiscono un prodotto intermedio dell’industria fotovoltaica: forniscono valori di tensione e corrente limitati in rapporto a quelli normalmente richiesti dagli apparecchi utilizzatori, sono estremamente fragili, elettricamente non isolate, prive di supporto meccanico.

Esse vengono, quindi, assemblate in modo opportuno a costituire un’unica struttura: il modulo fotovoltaico; una struttura robusta e maneggevole, in grado di garantire molti anni di funzionamento anche in condizioni ambientali difficili.

Il processo di fabbricazione dei moduli è articolato in varie fasi: connessione elettrica, incapsulamento, montaggio della cornice e della scatola di giunzione.

La connessione elettrica consiste nel collegare in serie-parallelo le singole celle per ottenere i valori di tensione e di corrente desiderati.

Al fine di ridurre le perdite per disaccoppiamento elettrico è necessario che le celle di uno stesso modulo abbiano caratteristiche elettriche simili tra loro.

L’incapsulamento consiste nell’inglobare le celle fotovoltaiche tra una lastra di vetro e una di plastica, tramite laminazione a caldo di materiale polimerico. È importante che l’incapsulamento, oltre a proteggere le celle, sia trasparente alla radiazione solare, stabile ai raggi ultravioletti e alla temperatura, abbia capacità autopulenti e consenta di mantenere bassa la temperatura delle celle.

In linea di principio la vita di una cella solare è infinita; è pertanto la durata dell’incapsulamento a determinare la durata di vita del modulo, oggi stimabile in 25-30 anni.

Il montaggio della cornice conferisce al modulo maggiore robustezza e ne consente l’ancoraggio alle strutture di sostegno.

I moduli commerciali

Il modulo rappresenta la componente elementare dei sistemi fotovoltaici. I moduli in commercio attualmente più diffusi (con superficie attorno a 0,5-2 m2), che utilizzano celle al silicio mono e policristallino, prevedono tipicamente 36 celle collegate elettricamente in serie. Il modulo così costituito ha una potenza che va dai 50 agli 200 Wp, a seconda del tipo e dell’efficienza delle celle, e tensione di lavoro di circa 17 volt con corrente da 3 a 12 A.

I moduli comunemente usati nelle applicazioni commerciali hanno un rendimento complessivo del 12-16%. È recentemente cresciuta la domanda di moduli di potenza superiore a 200 Wp, utili per l’integrazione di pannelli nella struttura di rivestimento di edifici.