Tutto inizia dalla cella fotovoltaica

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:

Grafico dell'andamento della caratteristica elettrica in funzione della temperatura (a) e della radiazione solare (b)

Andamento caratteristica elettrica.

Rappresentazione grafica della caratteristica tensione-corrente di una cella solare.

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.

Grafico rappresentante la caratteristica elettrica di una cella solare e andamento della potenza.

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.

Tossicità (Cd)