Celle fotovoltaiche: cosa sono e come funzionano

Le celle fotovoltaiche sono l’elemento base per la produzione di energia elettrica. Scopri quali sono le caratteristiche e come funzionano

Un impianto fotovoltaico è caratterizzato da un insieme di pannelli solari, messi in serie o in parallelo; alla base dei pannelli si trovano le celle fotovoltaiche.

Scopriamo insieme cosa sono e come funzionano gli elementi di base di un impianto fotovoltaico.

Il progetto di un impianto fotovoltaico è un’operazione molto delicata, da svolgere con particolare cura e attenzione. Per evitare di commettere errori che potrebbero costarti cari dopo la realizzazione dell’impianto, ti consiglio di affidarti ad un efficace software fotovoltaico per progettare impianti in maniera sicura e guidata.

Definizione di celle fotovoltaiche

Le celle fotovoltaiche sono l’elemento base nella produzione di energia elettrica attraverso l’energia solare. Le celle possono essere costituite da vari materiali; il semiconduttore più utilizzato e performante è il silicio.

Il silicio ha un’importante caratteristica: basta un minimo quantitativo di energia affinché gli elettroni di valenza possano essere sfruttati per generare una corrente elettrica.

Per sfruttare il passaggio degli elettroni dalla banda di valenza alla banda di conduzione, si applica il drogaggio, il fenomeno per cui si inseriscono delle impurità all’interno del semiconduttore boro (carica negativa) e fosforo (carica positiva).

Dopo la solidificazione, questi sistemi vengono disposti l’uno vicino all’altro mediante una giunzione neutra, parte positiva con quella negativa, e, nel punto in cui ci sta la connessione, si ha una carica nulla. Con tale meccanismo si crea un sistema caricato positivamente da una parte e negativamente da un’altra parte, ottenendo una pila.

Tipi di celle fotovoltaiche

Le celle solari variano a seconda del cristallo che le caratterizza:

• celle monocristalline;
• celle policristalline;
• celle amorfe.

Celle fotovoltaiche monocristalline

Le celle monocristalline sono costituite da un unico cristallo, orientato nella stessa direzione. Questa caratteristica consente di sfruttare al meglio l’energia solare che la cella riesce a captare. La colorazione di queste celle è tipicamente nera.

Il sistema adottato per produrre le celle monocristalline è il sistema Czochralski. Si tratta di un processo in cui un seme di cristallo viene inserito in un fuso di silicio, all’interno del quale il seme ruota verticalmente in senso antiorario e, immergendosi molto lentamente, fa sì che il fuso stesso possa cristallizzarsi in maniera ordinata sul seme che si sta immergendo.

Alla fine del processo tutti i cristalli sono orientati in maniera omogenea tanto da materializzare un unico macro cristallo e dando vita a un lingotto di silicio, nel momento in cui esso si raffredda e viene a crearsi il cilindro di materiale fuso, condensato e solidificato sul seme.

Si sta parlando della struttura base; infatti, questo cristallo può essere successivamente drogato positivamente o negativamente con Boro o con Fosforo.

Il lingotto ricavato va tagliato in fette (wafer) molto sottili dello spessore di qualche centinaio di micrometro, vale a dire un millesimo di millimetro, valore fondamentale da considerare, in quanto, minore è lo spessore, maggiore è l’efficienza della cella.

Realizzati i wafer, positivi o negativi, essi verranno adagiati sul piano, dando vita alla cella fotovoltaica.

Celle fotovoltaiche policristalline

Le celle policristalline sono ricavate dagli scarti dell’industria elettronica; sono formate da più cristalli e la loro colorazione tipica è quella del blu cangiante.

In questo caso, il raffreddamento avviene in un bagno termostatico, in maniera unidirezionale da un estremo all’altro, attraverso un gradiente tecnico. Il processo avviene lentamente, ma in modo più veloce rispetto al metodo delle celle monocristalline.

La rapidità nella realizzazione presenta vantaggi energetici ed economici: il lingotto realizzato ha un costo di produzione più basso, tuttavia l’orientamento del cristallo è più disordinato e non permette di sfruttare al massimo l’energia solare incidente.

L’ultimo processo prevede il deposito di filamenti metallici per raccogliere gli elettroni sulla parte caricata negativamente, dal quale poi si creeranno i vari moduli.

Celle fotovoltaiche amorfe

Le celle fotovoltaiche amorfe presentano una struttura più caotica del silicio che, in questa configurazione, non ha più forma cristallina. La struttura del silicio amorfo può essere sfruttata per la realizzazione del film sottile, cioè per la realizzazione di elementi con dimensione molto sottile, adattati a superfici che non sono perfettamente piane.

Sono impiegati in ambito di integrazione architettonica, di arredo urbano o di elementi strutturali di edifici.

Il processo di creazione di cella amorfa è molto semplice: su un substrato rigido (vetro o metallo) vengono depositati con tecnologie adeguate (sputtering o evaporazione) più strati di materiale, due di questi strati (i più esterni) diventano elettrodi di conduzione, mentre lo strato interno diventa giunzione della cella fotovoltaica.

In tale processo, le tecnologie principalmente utilizzate sono la tecnologia triple junction e la tecnologia cadmio-telluride/cadmio-sulfide (CTS).

Funzionamento di una cella fotovoltaica

Per rendere una cella fotovoltaica produttiva energeticamente, è necessario collegarla a due strumenti di misura, ossia l’amperometro, che misura la corrente elettrica e il voltmetro, che misura la tensione.

In un circuito elettrico, le due strumentazioni vengono messe in parallelo per evitare che l’amperometro misuri la resistenza elettrica presente all’interno del voltmetro stesso e garantire la misurazione della prestazione della cella indipendentemente dai sistemi esterni.

All’interno del circuito, viene anche messo un carico elettrico che influenza la prestazione della cella: a seconda del carico varia sia l’intensità che la tensione della corrente elettrica prodotta.

A seconda del carico immesso, inoltre, si può distinguere tra circuito chiuso e circuito aperto. A queste due condizioni sono associati due valori di riferimento che servono per capire le prestazioni della cella.

Per il circuito aperto, nell’amperometro si misura una corrente nulla, non essendoci nessun contatto elettrico, mentre la tensione presenterà il valore massimo che la cella può produrre. Quel valore è chiamato tensione di circuito aperto (V_oc).

Nel circuito chiuso si ha il carico minimo e la corrente è massima, essendo inversamente proporzionale al carico elettrico. La corrente massima che si può produrre in questi casi è definita intensità di corrente a circuito chiuso (I_sc); a questa corrente è associata una tensione nulla.

Riportando questi valori su un diagramma chiamato “CURVA V-I”, curva caratteristica di una cella fotovoltaica o curva voltamperometrica, è possibile comprendere l’efficienza di una cella fotovoltaica e, pertanto, di un pannello solare, attraverso 4 parametri fondamentali:

• intensità di picco;
• tensione di picco;
• la potenza di picco;
• fill factor.

Più precisamente, si dispongono sulle ascisse i valori di tensione e sulle ordinate i valori di intensità elettrica.

Funzionamento delle celle a seconda delle disposizioni

Le celle fotovoltaiche sono dei diodi e si comportano come delle pile. Possono essere collegate in serie o in parallelo. Il collegamento in serie, ottenuto collegando il lato positivo di una cella con il negativo di un’altra cella, genera una tensione doppia (somma delle due), mentre l’intensità elettrica rimane costante.

Lo stesso accade anche sulla curva amperometrica: collegando le celle in serie, la curva presenta un incremento di ascisse (tensione).

Per variare l’intensità di corrente, invece, è necessario collegare le celle in in parallelo; in questo modo, collegando gli elettrodi positivi con quelli positivi e gli elettrodi negativi con quelli negativi, si ottiene una tensione costante, mentre l’intensità di corrente aumenta e la curva amperometrica si traslerà verso l’alto.

Le celle fotovoltaiche sono anche influenzate dalla temperatura, che può compromettere la loro prestazione. Nello specifico, se la temperatura raggiunge determinati valori, si ha un brusco abbassamento di tensione. Temperature elevate possono compromettere l’efficienza dei legami e diminuire le prestazioni.

Anche al variare della radiazione solare incidente, si ha una variazione di curva. Nello specifico, al diminuire della radiazione solare incidente, l’intensità elettrica diminuisce significativamente e la curva tende a schiacciarsi, mentre i valori di tensione non cambiano molto.

Pertanto, nelle analisi precedenti l’installazione di pannelli fotovoltaici, è fondamentale far riferimento ai dati climatici concreti reperiti da atlanti solari o misurazioni sul campo, possibilmente adoperando uno specifico software fotovoltaico che ti fornisce i dati reali di irraggiamento solare prelevati dalle principali banche dati climatiche di riferimento.

Celle fotovoltaiche in pannelli fotovoltaici

Le celle fotovoltaiche si collegano in moduli, dando vita a pannelli fotovoltaici, i quali, a loro volta si collegano tra loro costituendo l’impianto fotovoltaico. In tale connessione, i pannelli possono essere disposti in diverse stringhe e moduli e, a seconda di come vengono collegati tra loro, possono aumentare d’intensità o di tensione.

Una volta stabilita la potenza da installare, si può decidere di produrla con un numero variabile di pannelli. La scelta della disposizione e della potenza può essere determinata a seconda del valore di radiazione solare del luogo e di esposizione del pannello.

Ancora una volta si rende utile un software fotovoltaico in grado di supportarti nella scelta del numero di moduli corretto in funzione dei criteri progettuali definiti per massimizzare la produzione annua o la massima potenza.

Inoltre, un tale software dispone di specifiche librerie di moduli, inverter, batterie e componenti fotovoltaici, fondamentali per la corretta progettazione.