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Tutto inizia dalla cella fotovoltaica
Esempio di cella fotovoltaica
La conversione della radiazione solare in una corrente di elettroni avviene nella cella fotovoltaica,
un dispositivo costituito da una sottile fetta di materiale semiconduttore, molto spesso silicio,
opportunamente trattata.
Tale trattamento è caratterizzato da diversi processi chimici, tra i quali si hanno i cosiddetti
"drogaggi".
Inserendo nella struttura cristallina del silicio delle impurità, cioè atomi di boro e fosforo, si genera
un campo elettrico e si rendono anche disponibili le cariche necessarie alla formazione della
corrente elettrica.
Questa si crea quando la cella, le cui due facce sono collegate ad un utilizzatore, è esposta alla luce.
L'energia che si può poi sfruttare dipende dalle caratteristiche del materiale di cui è costituita la
cella : l'efficienza di conversione (percentuale di energia contenuta nelle radiazioni solari che viene
trasformata in energia elettrica disponibile ai morsetti) per celle commerciali al silicio è in genere
compresa tra il 13% e il 20 %, mentre realizzazioni speciali di laboratorio hanno raggiunto valori
del 32,5 %.
In pratica la tipica cella fotovoltaica ha uno spessore complessivo compreso tra 0,25 e 0,35 mm ed è
costituita da silicio mono o multicristallino.
Essa, generalmente di forma quadrata, misura solitamente 125x125 mm e produce, con un
irraggiamento di 1 kW/mq ad una temperatura di 25°C, una corrente compresa tra i 3 e i 4 A e una
tensione di circa 0,5 V, con una potenza corrispondente di 1,5 - 2 Wp.
Poiché la potenza di una cella fotovoltaica varia al variare della sua temperatura e della radiazione,
per poter fare dei confronti sono state definite delle condizioni standard alle quali fa riferimento il
cosiddetto watt di picco (Wp), relativo alla potenza fornita dalla cella alla temperatura di 25°C sotto
una radiazione di 1.000 W/mq e in condizioni di AM1,5.
La caratteristica elettrica delle celle solari
Si è già ricordato che la cella fotovoltaica è sostanzialmente un diodo di grande superficie.
Esponendola alla radiazione solare, la cella si comporta come un generatore di corrente, il cui
funzionamento può essere descritto per mezzo della caratteristica tensione-corrente:
Andamento caratteristica elettrica.
Caratteristica tensione-corrente di una cella solare.
In generale la caratteristica di una cella fotovoltaica è funzione di tre variabili fondamentali:
intensità della radiazione solare, temperatura e area della cella.
L'intensità della radiazione solare non ha un effetto significativo sul valore della tensione a vuoto;
viceversa l'intensità della corrente di corto circuito varia in modo proporzionale al variare
dell'intensità dell'irraggiamento, crescendo al crescere di questa.
La temperatura non ha un effetto significativo sul valore della corrente di corto circuito; al
contrario, esiste una relazione di proporzionalità tra questa e la tensione a vuoto, diminuendo la
tensione al crescere della temperatura.
L'area della cella non ha alcun effetto sul valore della tensione; viceversa esiste una diretta
proporzionalità tra questa e la corrente disponibile.
Caratteristica elettrica di una cella solare e andamento della potenza
In condizioni di corto circuito la corrente generata è massima (Isc), mentre in condizioni di circuito
aperto è massima la tensione (Voc). In condizioni di circuito aperto e di corto circuito la potenza
estraibile sarà nulla, poichè nella relazione P = V x I sarà nulla la corrente nel primo caso e la
tensione nel secondo.
Negli altri punti della caratteristica all'aumentare della tensione aumenta la potenza, raggiungendo
quindi un massimo e diminuendo repentinamente in prossimità della Voc.
Il silicio amorfo
Oltre al silicio di tipo cristallino, ultimamente si nota un forte interesse, da parte di diverse aziende
produttrici, a realizzare linee di produzione di moduli basati sul silicio amorfo (pannelli solari a
Film Sottile o Thin Film).
Con l'amorfo, in realtà, non si può parlare di celle, in quanto si tratta di deposizioni di silicio
(appunto allo stato amorfo) su superfici che possono anche essere ampie.
Il silicio amorfo è presente sul mercato già da diversi anni, ma fino ad ora non si era guadagnato
una quota di mercato significativa, soprattutto a causa dei dubbi esistenti sulla sua stabilità nel
tempo poiché, col passare degli anni, spesso si verificava una riduzione delle prestazioni.
Per questa ragione l'amorfo veniva (e viene ancora oggi) usato soprattutto per applicazioni
"indoor", cioè per alimentare piccoli utilizzatori, come calcolatrici tascabili, orologi, gadget vari...
Di recente si è messa a punto una tecnologia produttiva che realizza più strati di silicio amorfo, la
cosiddetta "eterogiunzione", che sembra risolvere i passati problemi di stabilità.
Per quanto riguarda il costo, il tradizionale silicio amorfo presenta costi minori rispetto al silicio
cristallino (mono o multi), mentre l'amorfo a due o tre giunzioni necessita di ulteriori riduzioni di
costo affinché possa diffondersi su larga scala.
La produzione delle celle fotovoltaiche
I processi di produzione delle celle fotovoltaiche sono diversi a seconda del tipo di cella che
s'intende realizzare.
Le differenze maggiori si hanno nella formazione della fetta di silicio, denominata "wafer", che è la
struttura principale sulla quale verranno eseguiti diversi trattamenti, specialmente di natura chimica,
che porteranno alla creazione della vera e propria cella.
Il wafer di monocristallo si produce con il metodo Czochralsky , basato sulla cristallizzazione che si
origina immergendo un "seme" di materiale molto puro nel silicio liquido; viene poi estratto e
raffreddato lentamente per ottenere un "lingotto" di monocristallo, che avrà forma cilindrica (da 13
a 30 cm di diametro e 200 cm di lunghezza).
Il lingotto verrà drogato P mediante l'aggiunta di boro e poi affettato in wafer aventi uno spessore
compreso tra i 250 e i 350 micrometri.
Il wafer di multicristallo si origina invece dalla fusione e successiva ricristallizzazione del silicio di
scarto dell'industria elettronica ("scraps" di silicio, come avviene anche per il wafer di
monocristallo).
Da questa fusione si ottiene un "pane" che viene tagliato verticalmente in lingotti con forma di
parallelepipedo.
Un successivo taglio orizzontale porta alla creazione di fette aventi uno spessore simile a quello
delle celle di monocristallo (250 - 350 micrometri).
Rispetto al monocristallo, il wafer di multicristallo consente efficienze comunque interessanti a
costi inferiori.
Perché il wafer diventi una vera e propria cella fotovoltaica, occorre (sia per il mono che per il
multicristallo) :
· "pulirlo" mediante un attacco in soda ;
· introdurre nel materiale atomi di fosforo (è il drogaggio di tipo N), affinché si realizzi la
"giunzione p-n" . Questo avviene facendo passare lentamente le fette all'interno di un forno,
che "diffonde" nel materiale acido ortofosforico, contenente appunto gli atomi di fosforo
desiderati ;
· dopo aver applicato un sottile strato di antiriflesso (biossido di titanio, TiO2), si realizzano,
per serigrafia o elettrodeposizione, i contatti elettrici anteriori (una griglia metallica che
raccoglierà le cariche elettriche) e posteriori (una superficie continua, sempre metallica) ;
· a questo punto la cella viene "testata" mediante una simulazione delle condizioni standard di
insolazione (1000 W/mq a 25°C con spettro AM1,5), per poterla classificare e quindi
raggruppare insieme a celle aventi analoghe caratteristiche elettriche. Questo passaggio è
molto importante per evitare di realizzare dei moduli con celle molto diverse tra di loro, che
porterebbero ad una drastica riduzione delle prestazioni del modulo fotovoltaico.
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