COME FUNZIONA UN PANNELLO SOLARE FOTOVOLTAICO?

Ne abbiamo sempre sentito parlare, sappiamo che è una scelta giusta per la Terra e perché no, anche per le nostre tasche! Ma sappiamo come funziona? I pannelli solari fotovoltaici sono realizzati con una tecnologia complicata e poco conosciuta. Proviamo a spiegartela noi!

Un pannello è composto da celle fotovoltaiche realizzate in materiali semiconduttori, come ad esempio il Silicio che viene trattato chimicamente (si dice che il silicio viene “drogato”) per ricavarne due versioni diverse: a struttura “p” ed a struttura “n”. Per la “n” si inseriscono atomi di Boro o Alluminio (del terzo gruppo della tavola degli elementi), che determinano una sovrabbondanza di elettroni, mentre per la “p” si inseriscono atomi di Arsenico, Fosforo o Antimonio (elementi del quinto gruppo), che creano delle mancanze di elettroni, chiamate “lacune”. Essendo gli elettroni carichi negativamente (-), una loro abbondanza produce una carica negativa, mentre una loro mancanza produce una carica positiva (+). Quando nella cella fotovoltaica la struttura “n” viene accoppiata alla “p” questi elettroni vorrebbero distribuirsi uniformemente, ma non ci riescono per una mancanza di energia, senza cui non posso effettuare questo salto, ovvero rompere i legami che li legano al proprio atomo per andare dove c’è la lacuna. Chi gli può fornire questa energia? La radiazione solare! Quando un raggio colpisce il pannello solare, una parte viene riflessa, una parte si dissipa in calore, ma una percentuale riesce a raggiungere questi elettroni e permettergli il salto. Questo spostamento di elettroni genera una forza elettromotrice ai capi della giunzione p-n (la zona di separazione tra le due strutture cristalline), che opportunamente convogliata tramite una griglia anteriore ed un foglio metallico sotto la cella, genera un flusso di corrente (che altro non è che un gran numero di elettroni che scorrono nei cavi elettrici). La singola cella produce una forza elettromotrice di 0,5-0,6 V, un valore troppo piccolo per i nostri usi quotidiani (molte apparecchi nelle nostre case lavorano dai 12 ai 24 V, mentre la tensione della rete elettrica che arriva alle nostre abitazioni è normalmente attesta a 220 V). Per questo le varie celle vengono collegate in serie e parallelo per aumentare il voltaggio e la potenza totale in uscita.

Le celle fotovoltaiche maggiormente utilizzate (quasi il 90%) sono costituite da silicio policristallino o monocristallino.

Le celle in silicio monocristallino vengono ricavate dal taglio in fette sottili (wafer) di un singolo cristallo di forma cilindrica. Successivamente su di esse vengono depositati strati di vari materiali (conduttori, semiconduttori o isolanti) di spessore quasi nullo a formare un circuito. Essendo i wafer di forma cilindrica, se venissero messi direttamente sul pannello, risulterebbero grossi spazi vuoti tra wafer adiacenti; quindi per ottimizzare le prestazioni e ridurre i costi di un singolo pannello , vengono tagliati i bordi dei wafer per renderli di forma squadrata. Questa particolare forma e la loro colorazione esterna uniforme (che indica l’alta purezza del silicio) li rende facilmente riconoscibili, oltre a questo, il loro principale vantaggio, è che hanno rendimenti maggiori a parità di superficie, rispetto ai pannelli realizzati in silicio policristallino o amorfo. Questi pannelli risultano di costo più elevato a causa dello spreco di silicio dovuto al taglio e alla complessità del metodo di produzione. Inoltre, rispetto alla tecnologia policristallina o amorfa, se il pannello realizzato con silicio monocristallino è parzialmente coperto da ombra, polvere o residui vari dati dalla localizzazione dell’impianto stesso, il suo rendimento si riduce. In line di massima il silicio monocristallino lavora ai massimi di efficienza con la luce incidente diretta, mentre il policristallino e l’amorfo hanno delle buone rese anche quando la luce è diffusa.

Le celle in silicio policristallino iniziarono ad apparire verso gli anni ‘80. Il silicio viene fuso (riciclando spesso vecchie componenti elettroniche) e versato in un enorme stampo a raffreddare; una volta solidificato viene sottoposto ad alcuni cicli di taglio, da cui si ricava infine dei wafer simili a quelli del monocristallino, solo formati da tanti cristalli più piccoli e disallineati (forma simile a quella con cui si trova in natura ogni cristallo) e di forma perfettamente quadrata, in quanto si gestisce la forma dello stampo di partenza. Dunque il processo è più semplice e caratterizzato da minori sprechi poiché la forma è già quella finale: questo comporta un minor costo del pannello rispetto alla soluzione monocristallina.

A conclusione di quanto detto, possiamo evincere che i pannelli monocristallini siano più indicati in caso di applicazioni con un minor spazio a disposizione ed una migliore esposizione al sole, mentre i policristallini sono più indicati se l’orientamento non è perfetto e siamo in presenza di maggior ombreggiamento.

Esistono anche altre tipologie di celle, esempio le celle amorfe, che non verranno trattate in questo testo, in quanto la loro applicazione è limitata per costi o bassi rendimenti. Essendo alcune di queste tecnologie sotto studio e continua ricerca, non si esclude che in futuro possano ritagliarsi un maggiore spazio applicativo.