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Il fotovoltaico è una tecnologia che permette di produrre energia elettrica direttamente dall’irraggiamento solare; è una delle tecnologie più promettenti per la produzione di energia.
Non si tratta affatto di un sistema di nuova sperimentazione poco collaudato, bensì di una tecnologia matura, nata negli anni cinquanta con la ricerca aerospaziale e in uso da ben trent’anni per applicazioni “terrestri” ad uso civile.
I componenti dei sistemi fotovoltaici
La struttura del sistema fotovoltaico può essere molto varia a seconda del tipo di applicazione. Una prima distinzione può essere fatta tra sistemi isolati (stand-alone) e sistemi collegati alla rete (grid connected), questi ultimi a loro volta si suddividono in centrali fotovoltaiche e sistemi integrati negli edifici.
Il sistema fotovoltaico è costituito da:
- il generatore
- da un sistema di condizionamento e da un eventuale “accumulatore” di energia, la batteria, e naturalmente da una struttura di sostegno.
Generatore
E’ costituito da un sistema di moduli fotovoltaici collegati in modo da ottenere i valori di potenza e tensione desiderati; 1m2 di moduli eroga 0,4-0,6 KWh
I moduli sono costituiti da un insieme di celle.
I più diffusi sono quelli costituiti da 36 celle di silicio mono e policristallino, disposte su 4 file parallele, collegate in serie; hanno una superficie che varia da 0,5 ad 1 m2 e una potenza in uscita pari a 50 Watt.
Attualmente si mettono in commercio anche moduli con molte più celle tanto da arrivare ad ottenere una potenza pari a 200 Watt per ogni singolo modulo.
L’orientamento dei moduli fotovoltaici deve essere il più possibile a Sud; per quanto riguarda l’inclinazione del modulo, generalmente si sceglie una inclinazione pari alla latitudine del luogo di installazione; per ottimizzare la produzione in estate, ideale sarebbe una inclinazione pari alla latitudine meno 15-20°; invece d’inverno ideale sarebbe una inclinazione vicina a 60°.
Caratteristiche del silicio
Il silicio, dopo l’ossigeno, è l’elemento più diffuso in natura; per essere sfruttato deve presentare una opportuna struttura molecolare e un elevato grado di purezza, delle caratteristiche non presenti nei minerali in cui ritrova allo stato naturale.
Tenendo presente la diversa struttura, si può suddividere in tre tipi diversi:
Monocristallino
Policristallino
Amorfo
Nella struttura monocristallina gli atomi sono orientati nello stesso verso e legati gli uni agli altri nello stesso modo; in quella policristallina gli atomi sono aggregati in piccoli grani monocristallini orientati in modo casuale; in quella amorfa gli atomi sono orientati in modo casuale, come in un liquido, pur conservando le caratteristiche dei corpi solidi.
A secondo della purezza possiamo distinguere il silicio di grado elettronico, in cui le impurezze sono circa una parte su cento milioni, silicio di grado solare, con impurezze di una parte su 100 milioni; silicio metallurgico, con impurezze di una parte su 100. Il silicio di grado elettronico, impiegato nella costruzione di componenti elettronici, deve essere estremamente puro e con struttura monocristallina; gli scarti di questo silicio vengono utilizzati per le celle solari.
La cella
La cella è il dispositivo più elementare, capace di operare una conversione dell’energia solare in c.s., cioè a temperatura di 25° C, sottoposta ad una potenza della radiazione solare pari a 1W/m2.
La potenza in uscita da un dispositivo fotovoltaico, quando lavora in c. s. prende il nome di potenza di picco (Wp) ed è un valore che viene usato come riferimento.
Un insieme di moduli connessi elettricamente tra loro costituisce il campo fotovoltaico che insieme ad altri componenti meccanici, elettrici ed elettronici, consente di realizzare i sistemi fotovoltaici.
Più moduli assemblati meccanicamente costituiscono il pannello. Pannelli o moduli collegati elettricamente in serie formano la stringa.
Le celle si possono costruire con silicio cristallino ma anche con diversi altri semiconduttori, fatti con leghe quali il diseleniuro di rame e indio, telleruro di cadmio, arseniuro di gallio; il meccanismo comunque è lo stesso.
Funzionamento della cella
Celle di silicio collegate tra loro formano complessi sistemi in grado di generare energia elettrica.
Il materiale di base della cella, che è il componente primo dei sistemi fotovoltaici, è in genere il silicio.
Nella maggior parte dei casi la cella è costituita da un singolo cristallo (silicio monocristallino), che garantisce il massimo rendimento, oppure viene realizzata attraverso l’accostamento di più cristalli adiacenti, (silicio policristallino).
Il primo tipo si distingue per una sostanziale omogeneità di colore della superficie, mentre il secondo è caratterizzato da una particolare sfaccettatura data dall’accostamento dei singoli cristalli.
Siamo soliti riconoscere le celle fotovoltaiche dal loro caratteristico colore blu, ma è possibile richiedere pannelli dalla colorazione differente. Queste variazioni sono ottenute attraverso la variazione dello spessore del rivestimento antiriflettente, che condiziona fortemente la capacità di captazione della luce solare e quindi il rendimento. Più ci si discosta dalla colorazione blu, più si diminuisce la quantità di energia generabile.
Le celle fotovoltaiche hanno fornito elettricità ai veicoli spaziali fin dai loro primi voli e cominciano a essere utilizzate in certi prodotti commerciali, come le calcolatrici e gli orologi da polso. Questo dispositivo è stato costruito fino oggi con silicio cristallino.
Sappiamo che la corrente elettrica consiste nel passaggio di cariche elettriche in un circuito. Il fenomeno che ci interessa allora è il movimento dei portatori di carica nei semiconduttori, dato che l’elettricità consiste nel passaggio di queste cariche lungo un circuito.
Normalmente l’atomo di silicio possiede 14 elettroni, quattro dei quali sono elettroni di valenza: ciò significa che essi possono partecipare alla formazione di legami con gli atomi, sia di silicio, sia di altri elementi.
In un cristallo di silicio puro, ciascun atomo è legato covalentemente con altri quattro atomi, una coppia di elettroni viene messa in comune fra i due atomi che formano il legame. Questo legame, abbastanza forte, può essere spezzato da una quantità sufficiente di energia. Se l’energia fornita è sufficiente, l’elettrone viene portato a un livello energetico superiore, chiamato banda di conduzione, dove è libero di spostarsi e può contribuire al flusso di elettricità. Quando esso passa nella banda di conduzione, si lascia dietro una buca, cioè una lacuna dove manca un elettrone.
Un elettrone vicino può riempire la “buca”; quindi all’interno di un cristallo, tanto gli elettroni che le “buche” si possono muovere.
Una cella fotovoltaica è un diodo di grande superficie. Un diodo è una superficie costituita da due semiconduttori diversi, in cui il passaggio della corrente (costituita da portatori di carica liberi, per es. elettroni), è ostacolato in una direzione e facilitato in quella opposta, questo grazie alla presenza di un campo elettrico fisso, dovuto al fatto che il diodo è costituito da due semiconduttori di materiale diverso. Questo campo spinge le cariche di un segno ad attraversare il diodo e respinge le cariche di segno opposto.
Una cella fotovoltaica è costituita da strati di semiconduttori diversi che creano dentro la cella un campo elettrico fisso, simile a quello del diodo. Questo campo è incorporato molto vicino alla regione del dispositivo che assorbe la luce,
La luce solare trasporta energia: i fotoni, quando colpiscono un semiconduttore della cella fotovoltaica, possono venire riflessi, attraversarlo o essere assorbiti. I fotoni potenzialmente utili sono quelli che vengono assorbiti.
Un fotone che viene assorbito da un semiconduttore può produrre calore urtando il materiale semiconduttore oppure, se possiede abbastanza energia, può strappare un elettrone da uno stato legato ed elevarlo a uno stato libero nella banda di conduzione del materiale.
Quando l’elettrone passa nella banda di conduzione si crea una buca, questa rappresenta una carica positiva libera che si comporta in modo analogo, ma opposto ad una carica negativa libera.
In un semiconduttore di silicio, una buca (+) può spostarsi liberamente, perché un elettrone legato, che si trovi nelle vicinanze, può saltare nella buca, mentre quest’ultima va ad occupare la posizione lasciata libera dall’elettrone che si è spostato.
La luce che viene assorbita da un semiconduttore produce due portatori di carica liberi: l’elettrone libero nella banda di conduzione e la buca libera nella banda di valenza.
La conversione da luce ad energia elettrica, effettuata dalla cella, avviene essenzialmente perché questi portatori di carica liberi, generati dalla luce, sono spinti in direzione opposte dal campo elettrico incorporato: supponiamo che il campo abbia un verso tale da facilitare il passaggio degli elettroni e respingere le buche, gli elettroni allora attraversano il campo e vengono accelerati, mentre le buche restano vicino al punto dove sono state generate.
Una volta che gli elettroni liberi abbiano attraversato il campo, non tornano indietro, perché il campo, agendo come un diodo, impedisce loro di invertire la marcia. Perciò quando la luce incide sulla cella fotovoltaica, le cariche positive sono spinte in numero crescente verso la parte superiore della cella e, le cariche negative verso quella inferiore o viceversa a seconda del tipo di cella.
La luce assorbita dalla cella può generare portatori liberi sia nella stretta regione del campo, che fuori di essa. I portatori dentro questa regione vengono separati molto efficacemente dal forte campo elettrico, che a sua volta li spinge ad alta velocità verso la parte superiore e verso la parte inferiore della cella.
Se la parte superiore e quella inferiore sono collegate da un conduttore, le cariche libere lo attraversano e si osserva una corrente elettrica. Fino a quando la cella resta esposta alla luce, l’elettricità fluisce sottoforma di corrente continua.
In genere un cella fotovoltaica poggia su di un supporto di vetro o di plastica, che si chiama substrato e che serve a sostenere la cella. Su di esso è depositato uno strato conduttore, per esempio di metallo, che funge da polo inferiore: poi viene depositato un semiconduttore fotoassorbente e in quest’ultimo viene posto un semiconduttore diverso o modificato. Il campo critico incorporato si trova in corrispondenza della superficie che separa questi due semiconduttori. Spesso il semiconduttore superiore è trasparente, per consentire alla luce di passare e di essere assorbita più vicino al campo elettrico, Questo accorgimento accresce la probabilità che gli elettroni e le buche generate dalla luce raggiungano la zona di campo e vengano separati.
L’ultima componente di una cella è di solito una griglia, che costituisce il polo superiore,
Se i due poli sono tra loro collegati e formano un circuito, quando la cella viene illuminata, si osserva il passaggio di una corrente elettrica, che può essere sfruttata.
Rendimento
Lo spessore di una cella fotovoltaica e, in larga misura, il suo costo, in termine di materiali e di lavorazione, sono determinati dalla sua capacità di assorbire la luce solare. Questo assorbimento dipende da due fattori critici, l’ampiezza della banda proibita e il coefficiente di assorbimento.
La banda proibita di un semiconduttore è il livello di energia caratteristico al quale il semiconduttore inizia ad assorbire la luce. Materiali come silicio iniziano ad assorbire la luce già a elevate lunghezze d’onda, di conseguenza riescono ad assorbire una quota cospicua della luce ambiente.
Le cosiddette celle fotovoltaiche a pellicola sottile sono fatte di materiali che presentano il massimo assorbimento ad uno spessore intorno a un micrometro, quindi sono da preferire, perchè riducono i costi di lavorazione e di materiali.
Alcuni materiali, detti a banda proibita diretta, presentano un forte assorbimento, invece i materiali a banda indiretta assorbono poco. Il silicio cristallino è un materiale a banda proibita indiretta, invece il silicio amorfo e il diseleniuro di rame e indio sono materiali a banda proibita diretta.
Quando si lavora con le celle fotovoltaiche, si deve tener conto della quantità di luce solare che raggiunge la Terra. L’energia solare, a livello della superficie terrestre è concentrata nell’intervallo di lunghezza d’onda a 0,4 a 2,5 micrometri, l’energia ha un massimo fra 0,5 e 0,55 micrometri.
Il rendimento di una cella è determinato dallo spettro di energia dell’assorbimento ottico dell’area attiva del semiconduttore e dalla profondità della giunzione p-n. Un esempio di efficienza ci può essere fornita da una cella di silicio cristallino che è sensibile alla luce nell’intervallo fra circa 0,35 e circa 1,1 micrometri, che contiene quindi quasi tutto lo spettro visibile e si prolunga nell’infrarosso.
Il massimo rendimento teorico della conversione fotoelettrica di una cella di silicio è circa il 28%, a causa delle perdite dovute al calore, alla riflessione ed ai fotoni che non vengono assorbiti dal semiconduttore. Per aumentare il rendimento, molto importante è applicare alla superficie anteriore della cella un rivestimento antiriflettente, perché in una cella non rivestita, le perdite per riflessione possono raggiungere il 30%. Si cerca anche di impiegare la cosiddetta tecnologia del campo superficiale posteriore, che consiste nel creare un campo elettrico presso la superficie posteriore di un semiconduttore, in modo da respingere verso la giunzione p-n i portatori di carica liberi in movimento casuale e migliorare la separazione di elettroni e buche. Grazie a questi accorgimenti, il rendimento delle celle fotovoltaiche cristalline di serie ha raggiunto circa il 14%.
Negli ultimi anni si sono sperimentati molti materiali per celle fotovoltaiche: uno di questi materiali è il silicio amorfo, che non possiede la struttura reticolare regolare del silicio cristallino. La struttura amorfa accresce notevolmente la probabilità che la luce venga assorbita e che gli elettroni passino nella banda di conduzione. Per quanto riguarda l’assorbimento luminoso questo materiale presenta notevoli vantaggi rispetto al silicio cristallino, quindi si possono ricavare con questo materiale, semiconduttori a pellicola sottile, con uno spessore di 0,5 micrometri rispetto ai 300 micrometri del silicio cristallino. Dato che contengono una minore quantità di materiale, le celle a pellicola sottile sono più economiche.
Un altro progresso compiuto nella tecnologia delle celle fotovoltaiche a pellicola sottile consiste nel sovrapporre più celle, per sfruttare meglio lo spettro solare. Le celle fotovoltaiche ad alto rendimento, sono per esempio, le celle a cristallo unico di arseniuro di gallio e silicio.
Il fotovoltaico è una tecnologia che permette di produrre energia elettrica direttamente dall’irraggiamento solare; è una delle tecnologie più promettenti per la produzione di energia.
Non si tratta affatto di un sistema di nuova sperimentazione poco collaudato, bensì di una tecnologia matura, nata negli anni cinquanta con la ricerca aerospaziale e in uso da ben trent’anni per applicazioni “terrestri” ad uso civile.
I componenti dei sistemi fotovoltaici
La struttura del sistema fotovoltaico può essere molto varia a seconda del tipo di applicazione. Una prima distinzione può essere fatta tra sistemi isolati (stand-alone) e sistemi collegati alla rete (grid connected), questi ultimi a loro volta si suddividono in centrali fotovoltaiche e sistemi integrati negli edifici.
Il sistema fotovoltaico è costituito da:
- il generatore
- da un sistema di condizionamento e da un eventuale “accumulatore” di energia, la batteria, e naturalmente da una struttura di sostegno.
Generatore
E’ costituito da un sistema di moduli fotovoltaici collegati in modo da ottenere i valori di potenza e tensione desiderati; 1m2 di moduli eroga 0,4-0,6 KWh
I moduli sono costituiti da un insieme di celle.
I più diffusi sono quelli costituiti da 36 celle di silicio mono e policristallino, disposte su 4 file parallele, collegate in serie; hanno una superficie che varia da 0,5 ad 1 m2 e una potenza in uscita pari a 50 Watt.
Attualmente si mettono in commercio anche moduli con molte più celle tanto da arrivare ad ottenere una potenza pari a 200 Watt per ogni singolo modulo.
L’orientamento dei moduli fotovoltaici deve essere il più possibile a Sud; per quanto riguarda l’inclinazione del modulo, generalmente si sceglie una inclinazione pari alla latitudine del luogo di installazione; per ottimizzare la produzione in estate, ideale sarebbe una inclinazione pari alla latitudine meno 15-20°; invece d’inverno ideale sarebbe una inclinazione vicina a 60°.
Caratteristiche del silicio
Il silicio, dopo l’ossigeno, è l’elemento più diffuso in natura; per essere sfruttato deve presentare una opportuna struttura molecolare e un elevato grado di purezza, delle caratteristiche non presenti nei minerali in cui ritrova allo stato naturale.
Tenendo presente la diversa struttura, si può suddividere in tre tipi diversi:
Monocristallino
Policristallino
Amorfo
Nella struttura monocristallina gli atomi sono orientati nello stesso verso e legati gli uni agli altri nello stesso modo; in quella policristallina gli atomi sono aggregati in piccoli grani monocristallini orientati in modo casuale; in quella amorfa gli atomi sono orientati in modo casuale, come in un liquido, pur conservando le caratteristiche dei corpi solidi.
A secondo della purezza possiamo distinguere il silicio di grado elettronico, in cui le impurezze sono circa una parte su cento milioni, silicio di grado solare, con impurezze di una parte su 100 milioni; silicio metallurgico, con impurezze di una parte su 100. Il silicio di grado elettronico, impiegato nella costruzione di componenti elettronici, deve essere estremamente puro e con struttura monocristallina; gli scarti di questo silicio vengono utilizzati per le celle solari.
La cella
La cella è il dispositivo più elementare, capace di operare una conversione dell’energia solare in c.s., cioè a temperatura di 25° C, sottoposta ad una potenza della radiazione solare pari a 1W/m2.
La potenza in uscita da un dispositivo fotovoltaico, quando lavora in c. s. prende il nome di potenza di picco (Wp) ed è un valore che viene usato come riferimento.
Un insieme di moduli connessi elettricamente tra loro costituisce il campo fotovoltaico che insieme ad altri componenti meccanici, elettrici ed elettronici, consente di realizzare i sistemi fotovoltaici.
Più moduli assemblati meccanicamente costituiscono il pannello. Pannelli o moduli collegati elettricamente in serie formano la stringa.
Le celle si possono costruire con silicio cristallino ma anche con diversi altri semiconduttori, fatti con leghe quali il diseleniuro di rame e indio, telleruro di cadmio, arseniuro di gallio; il meccanismo comunque è lo stesso.
Funzionamento della cella
Celle di silicio collegate tra loro formano complessi sistemi in grado di generare energia elettrica.
Il materiale di base della cella, che è il componente primo dei sistemi fotovoltaici, è in genere il silicio.
Nella maggior parte dei casi la cella è costituita da un singolo cristallo (silicio monocristallino), che garantisce il massimo rendimento, oppure viene realizzata attraverso l’accostamento di più cristalli adiacenti, (silicio policristallino).
Il primo tipo si distingue per una sostanziale omogeneità di colore della superficie, mentre il secondo è caratterizzato da una particolare sfaccettatura data dall’accostamento dei singoli cristalli.
Siamo soliti riconoscere le celle fotovoltaiche dal loro caratteristico colore blu, ma è possibile richiedere pannelli dalla colorazione differente. Queste variazioni sono ottenute attraverso la variazione dello spessore del rivestimento antiriflettente, che condiziona fortemente la capacità di captazione della luce solare e quindi il rendimento. Più ci si discosta dalla colorazione blu, più si diminuisce la quantità di energia generabile.
Le celle fotovoltaiche hanno fornito elettricità ai veicoli spaziali fin dai loro primi voli e cominciano a essere utilizzate in certi prodotti commerciali, come le calcolatrici e gli orologi da polso. Questo dispositivo è stato costruito fino oggi con silicio cristallino.
Sappiamo che la corrente elettrica consiste nel passaggio di cariche elettriche in un circuito. Il fenomeno che ci interessa allora è il movimento dei portatori di carica nei semiconduttori, dato che l’elettricità consiste nel passaggio di queste cariche lungo un circuito.
Normalmente l’atomo di silicio possiede 14 elettroni, quattro dei quali sono elettroni di valenza: ciò significa che essi possono partecipare alla formazione di legami con gli atomi, sia di silicio, sia di altri elementi.
In un cristallo di silicio puro, ciascun atomo è legato covalentemente con altri quattro atomi, una coppia di elettroni viene messa in comune fra i due atomi che formano il legame. Questo legame, abbastanza forte, può essere spezzato da una quantità sufficiente di energia. Se l’energia fornita è sufficiente, l’elettrone viene portato a un livello energetico superiore, chiamato banda di conduzione, dove è libero di spostarsi e può contribuire al flusso di elettricità. Quando esso passa nella banda di conduzione, si lascia dietro una buca, cioè una lacuna dove manca un elettrone.
Un elettrone vicino può riempire la “buca”; quindi all’interno di un cristallo, tanto gli elettroni che le “buche” si possono muovere.
Una cella fotovoltaica è un diodo di grande superficie. Un diodo è una superficie costituita da due semiconduttori diversi, in cui il passaggio della corrente (costituita da portatori di carica liberi, per es. elettroni), è ostacolato in una direzione e facilitato in quella opposta, questo grazie alla presenza di un campo elettrico fisso, dovuto al fatto che il diodo è costituito da due semiconduttori di materiale diverso. Questo campo spinge le cariche di un segno ad attraversare il diodo e respinge le cariche di segno opposto.
Una cella fotovoltaica è costituita da strati di semiconduttori diversi che creano dentro la cella un campo elettrico fisso, simile a quello del diodo. Questo campo è incorporato molto vicino alla regione del dispositivo che assorbe la luce,
La luce solare trasporta energia: i fotoni, quando colpiscono un semiconduttore della cella fotovoltaica, possono venire riflessi, attraversarlo o essere assorbiti. I fotoni potenzialmente utili sono quelli che vengono assorbiti.
Un fotone che viene assorbito da un semiconduttore può produrre calore urtando il materiale semiconduttore oppure, se possiede abbastanza energia, può strappare un elettrone da uno stato legato ed elevarlo a uno stato libero nella banda di conduzione del materiale.
Quando l’elettrone passa nella banda di conduzione si crea una buca, questa rappresenta una carica positiva libera che si comporta in modo analogo, ma opposto ad una carica negativa libera.
In un semiconduttore di silicio, una buca (+) può spostarsi liberamente, perché un elettrone legato, che si trovi nelle vicinanze, può saltare nella buca, mentre quest’ultima va ad occupare la posizione lasciata libera dall’elettrone che si è spostato.
La luce che viene assorbita da un semiconduttore produce due portatori di carica liberi: l’elettrone libero nella banda di conduzione e la buca libera nella banda di valenza.
La conversione da luce ad energia elettrica, effettuata dalla cella, avviene essenzialmente perché questi portatori di carica liberi, generati dalla luce, sono spinti in direzione opposte dal campo elettrico incorporato: supponiamo che il campo abbia un verso tale da facilitare il passaggio degli elettroni e respingere le buche, gli elettroni allora attraversano il campo e vengono accelerati, mentre le buche restano vicino al punto dove sono state generate.
Una volta che gli elettroni liberi abbiano attraversato il campo, non tornano indietro, perché il campo, agendo come un diodo, impedisce loro di invertire la marcia. Perciò quando la luce incide sulla cella fotovoltaica, le cariche positive sono spinte in numero crescente verso la parte superiore della cella e, le cariche negative verso quella inferiore o viceversa a seconda del tipo di cella.
La luce assorbita dalla cella può generare portatori liberi sia nella stretta regione del campo, che fuori di essa. I portatori dentro questa regione vengono separati molto efficacemente dal forte campo elettrico, che a sua volta li spinge ad alta velocità verso la parte superiore e verso la parte inferiore della cella.
Se la parte superiore e quella inferiore sono collegate da un conduttore, le cariche libere lo attraversano e si osserva una corrente elettrica. Fino a quando la cella resta esposta alla luce, l’elettricità fluisce sottoforma di corrente continua.
In genere un cella fotovoltaica poggia su di un supporto di vetro o di plastica, che si chiama substrato e che serve a sostenere la cella. Su di esso è depositato uno strato conduttore, per esempio di metallo, che funge da polo inferiore: poi viene depositato un semiconduttore fotoassorbente e in quest’ultimo viene posto un semiconduttore diverso o modificato. Il campo critico incorporato si trova in corrispondenza della superficie che separa questi due semiconduttori. Spesso il semiconduttore superiore è trasparente, per consentire alla luce di passare e di essere assorbita più vicino al campo elettrico, Questo accorgimento accresce la probabilità che gli elettroni e le buche generate dalla luce raggiungano la zona di campo e vengano separati.
L’ultima componente di una cella è di solito una griglia, che costituisce il polo superiore,
Se i due poli sono tra loro collegati e formano un circuito, quando la cella viene illuminata, si osserva il passaggio di una corrente elettrica, che può essere sfruttata.
Rendimento
Lo spessore di una cella fotovoltaica e, in larga misura, il suo costo, in termine di materiali e di lavorazione, sono determinati dalla sua capacità di assorbire la luce solare. Questo assorbimento dipende da due fattori critici, l’ampiezza della banda proibita e il coefficiente di assorbimento.
La banda proibita di un semiconduttore è il livello di energia caratteristico al quale il semiconduttore inizia ad assorbire la luce. Materiali come silicio iniziano ad assorbire la luce già a elevate lunghezze d’onda, di conseguenza riescono ad assorbire una quota cospicua della luce ambiente.
Le cosiddette celle fotovoltaiche a pellicola sottile sono fatte di materiali che presentano il massimo assorbimento ad uno spessore intorno a un micrometro, quindi sono da preferire, perchè riducono i costi di lavorazione e di materiali.
Alcuni materiali, detti a banda proibita diretta, presentano un forte assorbimento, invece i materiali a banda indiretta assorbono poco. Il silicio cristallino è un materiale a banda proibita indiretta, invece il silicio amorfo e il diseleniuro di rame e indio sono materiali a banda proibita diretta.
Quando si lavora con le celle fotovoltaiche, si deve tener conto della quantità di luce solare che raggiunge la Terra. L’energia solare, a livello della superficie terrestre è concentrata nell’intervallo di lunghezza d’onda a 0,4 a 2,5 micrometri, l’energia ha un massimo fra 0,5 e 0,55 micrometri.
Il rendimento di una cella è determinato dallo spettro di energia dell’assorbimento ottico dell’area attiva del semiconduttore e dalla profondità della giunzione p-n. Un esempio di efficienza ci può essere fornita da una cella di silicio cristallino che è sensibile alla luce nell’intervallo fra circa 0,35 e circa 1,1 micrometri, che contiene quindi quasi tutto lo spettro visibile e si prolunga nell’infrarosso.
Il massimo rendimento teorico della conversione fotoelettrica di una cella di silicio è circa il 28%, a causa delle perdite dovute al calore, alla riflessione ed ai fotoni che non vengono assorbiti dal semiconduttore. Per aumentare il rendimento, molto importante è applicare alla superficie anteriore della cella un rivestimento antiriflettente, perché in una cella non rivestita, le perdite per riflessione possono raggiungere il 30%. Si cerca anche di impiegare la cosiddetta tecnologia del campo superficiale posteriore, che consiste nel creare un campo elettrico presso la superficie posteriore di un semiconduttore, in modo da respingere verso la giunzione p-n i portatori di carica liberi in movimento casuale e migliorare la separazione di elettroni e buche. Grazie a questi accorgimenti, il rendimento delle celle fotovoltaiche cristalline di serie ha raggiunto circa il 14%.
Negli ultimi anni si sono sperimentati molti materiali per celle fotovoltaiche: uno di questi materiali è il silicio amorfo, che non possiede la struttura reticolare regolare del silicio cristallino. La struttura amorfa accresce notevolmente la probabilità che la luce venga assorbita e che gli elettroni passino nella banda di conduzione. Per quanto riguarda l’assorbimento luminoso questo materiale presenta notevoli vantaggi rispetto al silicio cristallino, quindi si possono ricavare con questo materiale, semiconduttori a pellicola sottile, con uno spessore di 0,5 micrometri rispetto ai 300 micrometri del silicio cristallino. Dato che contengono una minore quantità di materiale, le celle a pellicola sottile sono più economiche.
Un altro progresso compiuto nella tecnologia delle celle fotovoltaiche a pellicola sottile consiste nel sovrapporre più celle, per sfruttare meglio lo spettro solare. Le celle fotovoltaiche ad alto rendimento, sono per esempio, le celle a cristallo unico di arseniuro di gallio e silicio.
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