La cella fotovoltaica.

La conversione della radiazione solare in una corrente elettrica avviene nella cella fotovoltaica. Questo è un dispositivo costituito da una sottile fetta di un materiale semiconduttore, molto spesso il silicio. Generalmente una cella fotovoltaica ha uno spessore che varia fra i 0,25 ai 0,35mm ed ha una forma generalmente quadrata con una superficie pari a circa 100 cm². L’efficienza e il costo dei diversi materiali impiegati nelle celle solari variano molto. L’efficienza viene definita come il rapporto tra la potenza elettrica prodotta e la potenza di luce incidente. In una giornata limpida, la radiazione solare all’equatore raggiunge i 1000 W / m², perciò un modulo fotovoltaico di un metro quadrato con un’efficienza del 10%, riesce a produrre circa 100 W. L’efficienza delle attuali celle solari varia dal 6% per quelle basate su silicio amorfo fino al 30% o più per i prototipi di laboratorio a giunzioni multiple. Comunque, un altissima efficienza può non essere la scelta più opportuna dal punto di vista economico: celle basate su materiali esotici come arseniuro di gallio o selenuro di indio possono costare anche 100 volte di più di una cella commerciale a silicio amorfo, producendo solo 4 volte più potenza elettrica.

Il materiale di gran lunga più comune per le celle solari è il silicio cristallino. La tecnologia usata ruota attorno alla produzione di wafer che vengono in seguito uniti tra loro a formare un modulo fotovoltaico.

silicio monocristallino: efficienza dell’ordine del 16-17%. Sono tendenzialmente costosi e, dato che vengono tagliati da lingotti cilindrici, è difficile ricoprire con essi superfici estese senza sprecare materiale o spazio.

silicio policristallino: celle più economiche, ma meno efficienti (15-16%), il cui vantaggio risiede nella facilità con cui è possibile tagliarli in forme adatte ad essere unite in moduli. silicio “ribbon”: preparate da silicio fuso colato in strati piani. Queste celle sono ancora meno efficienti (13.5-15%), ma hanno l’ulteriore vantaggio di ridurre al minimo lo spreco di materiali, non necessitando alcun taglio.  

silicio amorfo depositato da fase vapore. Hanno un’efficienza bassa (8%), ma sono molto più economiche da odurre.  

CIS, basate su strati di calcogenuri . Hanno un’efficienza fino all’11%, ma presenttano un efficienza maggiore rispetto al Si-c in condizioni di ombreggiamento.  

celle fotoelettrochimiche: queste celle (dette anche celle di Graetzel), sono costituite da uno strato di ossido di titanio, sensibilizzato da un colorante che agisce da materiale assorbente luce. Questo tipo di cella permette un uso più flessibile dei materiali e la tecnologia di produzione è molto conveniente. Tuttavia, i coloranti usati in queste celle soffrono problemi di degrado se esposti al calore o alla luce ultravioletta, ma nonostante questo problema è una tecnologia emergente con un impatto commerciale previsto entro una decina di anni.

Il modulo fotovoltaico.

Le celle solari costituiscono un prodotto intermedio dell’industria fotovoltaica: forniscono valori di tensione e corrente limitati in rapporto a quelli normal-mente richiesti dagli apparecchi  utilizzatori, sono estremamente fragili, elettricamente non isolate e prive di un supporto meccanico. Esse vengono quindi assemblate in modo opportuno a costituire un’unica struttura: il modulo fotovoltaico. Il modulo fotovoltaico è dunque una struttura robusta e maneggevole su cui vengono collocate le celle fotovoltaiche.I moduli possono avere dimensioni diverse (i più diffusi hanno superfici che vanno dai 0,5 m² ai 1,6 m²) e prevedono tipicamente 36 celle collegate elettricamente in serie. La quantità di energia elettrica che un modulo fotovoltaico è potenzialmente in grado di generare, dipende dal numero e dalla superficie delle celle in esso contenute, questi elementi determinano la potenza del modulo. L’unità di misura della potenza del modulo fotovoltaico è il Watt di picco (si indica con Wp), ed è il valore che esprime la massima potenza che il modulo può fornire quando si trova in condizioni standard : 1000 W/mq di irraggiamento e 25 °C di temperatura e perpendicolarmente ai raggi solari. Il posizionamento del modulo rispetto al sole è quindi molto importante e per non incorrere in errori che causerebbero una minor produzione di energia, è necessario osservare alcune regole. Premesso che, come è ben noto, la quantità di raggi solari che colpiscono la terra variano da un minimo valore invernale ed un massimo valore estivo, si avrà che uno stesso modulo, mantenuto fisso rispetto al sole, produce più energia nel periodo estivo che nel periodo invernale. L’esposizione del modulo fotovoltaico ai raggi solari dipende principalmente dalla posizione geografica della località di installazione, in Italia l’orientamento del modulo deve essere a Sud con inclinazione di circa 30°.

Le caratteristiche elettriche principali di un modulo fotovoltaico si possono riassumere nelle seguenti:

Potenza di Picco (Wp): Potenza erogata dal modulo alle condizioni standard (STC),

Corrente nominale (A): Corrente erogata dal modulo nel punto di lavoro,

Tensione nominale (V): Tensione di lavoro del modulo

Il generatore fotovoltaico.

E’ costituito dall’insieme dei moduli fotovoltaici opportunamente collegati in serie ed in parallelo in modo da realizzare le condizioni operative desiderate. In particolare l’elemento base del campo è il modulo fotovoltaico. Più moduli assemblati meccanicamente tra loro formano il pannello, mentre moduli o pannelli collegati elettricamente in serie, per ottenere la tensione nominale di generazione, formano la stringa. Infine il collegamento elettrico in parallelo di più stringhe costituisce il campo.

I moduli fotovoltaici che realizzano il generatore, sono montati su una struttura meccanica in gradi di sostenerli ed orientata in modo da massimizzare l’irraggiamento solare. La quantità di energia prodotta da un generatore fotovoltaico varia nel corso dell’anno, in funzione del soleggiamento della località e della latitudine della stessa. Per ciascuna applicazione il generatore dovrà essere dimensionato sulla base del: carico elettrico,potenza di picco,possibilità di collegamento alla rete elettrica o meno,latitudine del sito ed irraggiamento medio annuo dello stesso,specifiche architettoniche dell’edificio, specifiche elettriche del carico utilizzatore.

(fonti: "Celle Solari" - Dipartimento di Scienza dei Materiali - Università degli Studi di Milano Bicocca, Dossier Solare Fotovoltaico, porgetto Res e Rue Dissemination - ACCOMANDITA)