Logica dei Sistemi

L'effetto fotovoltaico

L’effetto fotovoltaico è un fenomeno fisico grazie al quale è possibile convertire la luce direttamente in energia elettrica. La tecnologia moderna ci offre numerosi strumenti per poter effettuare tale conversione.

Il termine fotovoltaico deriva dall’unione di due parole: la prima è il termine greco “photo” (che significa luce) e la seconda dal cognome di Alessandro Volta, primo studioso a interessarsi con studi approfonditi dei fenomeni elettrici. La traduzione libera dell’unione di due termini significa, praticamente, “ottenere elettricità dalla luce” che, per l’appunto, è quello che fa un generatore fotovoltaico.

Il materiale più utilizzato per la realizzazione di generatori fotovoltaici è il silicio che, dopo essere stato estratto dalle miniere, viene purificato con numerosi processi chimici. Il livello di purezza richiesto dall’industria fotovoltaica è del 99,9999%. Le tipologie di silicio utilizzato sono due: il silicio in forma cristallina e quello in forma amorfa (ossia non in forma cristallina).

La forma cristallina del silicio può essere di due tipi: monocristallina e policristallina.Si vedranno in seguito le differenze tra le varie tipologie.

Il silicio (o gli eventuali altri materiali) vengono in genere ricavati da dei lingotti che vengono tagliati a fette dette “wafer”. Ognuna di queste fette è la base per le celle fotovoltaiche che andranno poi a comporre i vari moduli fotovoltaici (i cosiddetti pannelli).

Le celle fotovoltaiche evolvono nel tempo e quindi si è passati da celle di cosiddetta prima generazione a celle di seconda generazione. Tra le prime e le seconde c’è stato un notevole miglioramento anche se si è ancora vincolati, a causa della tecnologia scelta basata su materiali semiconduttori, al massimo rendimento teorico ammissibile per tali materiali che è dell’ordine del 30%. Questo significa che le attuali celle fotovoltaiche potranno, in futuro, raggiungere al massimo valori prossimi al 30%, ossia, nel caso migliore, utilizzare meno di un terzo dell’energia solare che ricevono. Ma nei laboratori di ricerca si sta lavorando per produrre celle di terza generazione, basati su materiali diversi o, comunque su strutture diverse, che possono superare la barriera del 30% ed andare verso un rendimento teorico di poco inferiore al 90%. Siamo quindi ancora piuttosto lontani, con la generazione attuale, da rendimenti che siano convenienti ma, grazie agli incentivi che molti Stati, tra cui l’Italia, stanno erogando, il fotovoltaico è oggi alla portata di tutti.

In attesa che, fra qualche decennio, si arrivi a rendimenti molto elevati, il momento attuale è comunque un’occasione da non perdere: grazie agli incentivi è possibile ottenere numerosi vantaggi economici da un impianto fotovoltaico. Se, in particolare, l’impianto è di tipo domestico (ossia di potenza inferiore o uguale a 3 kWp) esso può essere realizzato con un investimento irrisorio grazie a finanziamenti bancari specifici e senza doverne poi pagare le rate, grazie al contributo in Conto Energia, ossia grazie ai contributi statali.

Negli anni passati la tecnologia fotovoltaica ha fatto passi da gigante e la vita media di un impianto si misura oggi nell’ordine dei 25-30 anni.

In poche parole, se si riesce a realizzare oggi un impianto fotovoltaico, questo produrrà energia probabilmente fino al momento in cui cominceranno ad essere immessi sul mercato sistemi evoluti di terza generazione e quindi, mentre si aspettano tali sistemi, si sarà beneficiato della produzione di energia a costo praticamente nullo (grazie agli incentivi).

La tecnologia in silicio cristallino

Il silicio policristallino

Il processo produttivo del silicio prevede che questo venga fuso e fatto raffreddare in dei blocchi di forma squadrata. Al termine del raffreddamento i blocchi vengono tagliati in dei blocchi più piccoli (i lingotti di cui si parlava prima) che a loro volta saranno “affettati” in wafer sottilissimi.

Durante il raffreddamento, mentre il silicio si solidifica, i cristalli che lo compongono si dispongono casualmente e per questo viene detto policristallino. Il silicio policristallino può essere facilmente distinto da quello monocristallino perché presenta dei caratteristici riflessi cangianti.

Il silicio monocristallino

Per ottenere un silicio monocristallino si segue un processo produttivo più complesso di quello impiegato per il policristallino, ottenendo dei lingotti di forma cilindrica.

Anche questi lingotti vengono tagliati in due sottili fettine che poi, per ridurre gli spazi inutilizzati sul pannello, vengono tagliati in forma squadrata (tipicamente hanno la forma di un quadrato a cui siano stati tagliati gli angoli).

Quale materiale utilizzare?

Fino a qualche tempo fa c’erano opinioni molto diverse sulle reali prestazioni dei moduli fotovoltaici in silicio monocristallino rispetto a quelli in policristallino. Queste discussioni erano motivate dal fatto che esistevano delle differenze significative tra le due tipologie, differenze che comportavano la predilezione del monocristallino nell’Italia meridionale e del policristallino nell’Italia settentrionale.

I moduli attuali, se di qualità, non presentano più queste differenze così spiccate grazie all’evoluzione dei processi produttivi, e quindi oggi la scelta è quasi sempre dettata o da criteri estetici o dalla disponibilità del prodotto sul mercato.

La tecnologia a film sottile

Si tratta di una tecnologia nata oltre 20 anni fa e che consiste nell’applicazione di un sottilissimo strato di semiconduttore su un supporto (in molti casi del semplice vetro) attraverso processi che vanno dalla vaporizzazione allo spruzzo all’elettrolisi.

L’utilizzo del film sottile permette di ridurre di 100 o anche 200 volte la quantità di semiconduttore utilizzato, oltre al fatto di utilizzare processi produttivi molto meno costosi. Altro vantaggio del film sottile è la possibilità di avere dei moduli che siano trasparenti per utilizzarli su facciate e su coperture.

Purtroppo l’efficienza del film sottile è minore rispetto al cristallino, anche se le celle a film sottile hanno il vantaggio non trascurabile di essere meno influenzate dalla temperatura e di tollerare di più gli ombreggiamenti rispetto a quanto accade per il silicio.

Grazie al film sottile è anche possibile avere moduli con un certo grado di flessibilità in grado di adattarsi a conformazioni curve.

Celle al silicio amorfo (a-SI)

Il silicio amorfo è un materiale “disordinato”, che non ha strutture cristalline, che viene applicato in sottilissimi strati su superfici più grandi delle normali celle fotovoltaiche. Per questo motivo, in teoria, non si potrebbe parlare di “celle”.

Il silicio amorfo è attualmente il materiale più utilizzato dopo il silicio cristallino. Purtroppo l’efficienza dei moduli a film sottile in silicio amorfo è ancora molto bassa. Per cercare di incrementarla, si sono studiate soluzioni in cui il silicio amorfo viene combinato con del silicio cosiddetto micro-cristallino.

Celle CIS o CIGS

Queste celle si basano su altri materiali, diversi dal silicio, che consentono buoni risultati dal punto di vista dell’efficienza ma che hanno, di contro, lo svantaggio della scarsa disponibilità dei materiali, degli elevati costi di produzione e della tossicità di alcuni dei loro componenti.

Celle CdTe

Queste celle sono basate sul Telloruro di Cadmio e hanno il notevole pregio di poter essere realizzate con processi produttivi semplici e di ottenere buone prestazioni, soprattutto nei casi in cui l’irraggiamento o l’esposizione o l’inclinazione non siano ottimali.

Cellule organiche o ibride

Attualmente ancora in fase di studio e di evoluzione tecnologica, si tratta di celle fotovoltaiche che vanno a implementare meccanismi elettrochimici analoghi a quelli della fotosintesi clorofilliana delle piante.

Celle a Nanofili

Per aumentare l’efficienza dei moduli fotovoltaici sono allo studio delle celle fotovoltaiche costituite dà delle strutture microscopiche di tipo filamentoso dette Nanofili. Queste strutture hanno un basso coefficiente di riflessione e quindi catturano gran parte della radiazione solare che può essere utilizzata dall’effetto fotovoltaico.

Fotovoltaico a concentrazione

In questa tecnologia si concentra la luce verso delle celle di dimensioni ridotte e “multi giunzione”. La concentrazione della luce avviene con delle lenti particolari dette lenti di Fresnel (pronunciato senza la “s”, ossia frenèl). La forte concentrazione di luce produce un calore elevato e quindi sono necessarie delle celle fatti materiali particolari (quali l’Arseniuro di Gallio) in grado di sopportarlo.

Grazie a questi accorgimenti si riesce ad ottenere un’efficienza della cella molto elevata, quasi fino al 40%.

A causa delle piccole dimensioni delle celle il costo del semiconduttore è ridotto di molto ma la necessità di avere sempre la luce solare in arrivo perpendicolarmente sulla cella costringe a utilizzare dei sistemi di inseguimento del moto solare (nella foto a destra un esempio) che aumentano il costo dell’impianto.

Negli incentivi previsti per il triennio 2011-2013 questi impianti potranno essere incentivati, cosa che non avveniva in precedenza, e quindi ci si aspetta un’evoluzione interessante anche di questa tecnologia.

Conclusioni

In questo articolo sono state elencate le principali tecnologie utilizzate in campo fotovoltaico, includendo anche quelle che, seppure in fase di sviluppo, promettono di fornire componenti commerciali in tempi relativamente brevi.

In successivi articoli saranno approfonditi, sempre a livello divulgativo, alcuni aspetti tecnici più specifici delle varie tecnologie.

Logica dei Sistemi dell’ing. Luca Lezzerini è impegnata nell’utilizzare, per i propri Clienti, soluzioni innovative ma con una solida base tecnologica. Se avete necessità di districarvi nel complesso mondo delle tecnologie fotovoltaiche e volete un parere sul tema potete contattarci liberamente, senza impegno da parte vostra.