Le celle fotovoltaiche, chiamate anche “celle solari”, sono dispositivi elettronici in grado di convertire le radiazioni prodotte dalla luce del sole in elettricità e di generare quindi energia rinnovabile. Questi piccoli nuclei di dimensioni ridotte, di circa 125×125 mm l’uno con 0,25 mm di spessore, vengono utilizzati per assemblare i moduli fotovoltaici. I pannelli solari più comuni sul mercato sono infatti composti da 48 a 96 celle ciascuno.
Una singola cella solare può produrre corrente fino a 4 A con tensione di 0,5 V e una potenza di 2 Wp, anche se la potenza prodotta varia in base alla sua temperatura e irradiazione. Ma vediamo più nel dettaglio cosa sono e come funzionano le celle fotovoltaiche.
La struttura delle celle fotovoltaiche
Le celle “classiche”, ovvero quelle volte a un consumo di massa, sono composte da una struttura complessa, realizzata con l’ausilio di un materiale semiconduttore, il silicio. Quest’ultimo viene ottenuto in strati sottili, detti “wafer”, sui quali vengono costruiti circuiti integrati, attraverso drogaggi finalizzati a migliorare le proprietà del materiale.
Per la costruzione delle celle fotovoltaiche, il silicio puro viene sottoposto a diverse modifiche, ovvero all’introduzione di impurità, al fine di consentire un passaggio più ordinato degli elettroni. L’introduzione di atomi di fosforo trasforma il silicio puro in silicio di tipo “n”, dotato di un’elevata densità di elettroni liberi. Il silicio puro viene inoltre modificato introducendo atomi di boro, dando vita al silicio di tipo “p”, provvisto di cariche libere positive dette “lacune”.
La struttura delle celle solari viene realizzata quindi utilizzando due strati diversi di silicio, rispettivamente di tipo “n” e di tipo “p”, uno negativo e uno positivo. Il loro circuito è prodotto utilizzando alluminio e biossido di silicio e viene dotato di una superficie anti-riflettente utile a migliorare l’assorbimento della luce del sole.
I progressi della tecnologia
Con l’avanzare della tecnologia, sono state introdotte diverse modifiche alla struttura classica delle celle fotovoltaiche, sia per quanto riguarda le dimensioni che relativamente ai materiali impiegati per la loro struttura. Oltre al silicio, vengono utilizzati anche diseleniuro di indio e rame, e tellururo di cadmio.
Tra le grandi novità in materia troviamo anche l’introduzione del film sottile. Ad oggi le celle solari presenti sul mercato possono essere classificate principalmente in quattro tipologie. Queste tipologie si differenziano in base alla tecnologia di costruzione: le celle al silicio, le celle a film sottile, le celle multi-giunzione e le celle organiche.
Le celle fotovoltaiche e il loro funzionamento
Le celle solari lavorano in funzione di tre variabili fondamentali: l’intensità della luce solare (e quindi dell’irradiazione), la temperatura e l’area della cella. Grazie alla loro struttura sono in grado di assorbire i fotoni derivati dalla luce del sole. Questi, una volta raggiunto lo strato di silicio di tipo “p”, rilasciano elettroni che, condotti attraverso il circuito, vengono trasformati in energia elettrica. Tutto questo avviene grazie al cosiddetto “effetto fotovoltaico”, proprio nel momento in cui si verifica il passaggio degli elettroni dalla banda di valenza del materiale semiconduttore alla banda di conduzione. Grazie a questo processo si generano due tipi di cariche elettriche: l’elettrone, carica elettrica negativa, e la “lacuna”, carica elettrica positiva.
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