Caratteristiche generali
La quantità di energia solare che incide globalmente sulla superficie terrestre è 10.000 volte maggiore del fabbisogno totale di energia primaria. Pertanto non vi è dubbio che sarebbe possibile, nei prossimi 50 - 100 anni, soddisfare quasi integralmente le necessità dei paesi industrializzati con fonti rinnovabili di energia. L’Italia offre condizioni meteorologiche molto favorevoli all’uso dell’energia solare. Il valore di insolazione è compreso tra 1.200 e 1.750 Kwh/m2 all’anno. In alcuni materiali esposti alla radiazione solare si determina un moto di elettroni e quindi una corrente elettrica. Uno di questi è rappresentato da sottili lastre di silicio molto puro e trattato in modo particolare; quando i fotoni ("particelle" di radiazione elettromagnetica dotate di energia proporzionale alla lunghezza d'onda della radiazione) colpiscono gli atomi di silicio, si determina un flusso di elettroni fra la faccia della fotocella esposta al Sole e quella sottostante:si viene a creare una corrente elettrica e una differenza di potenziale che, con gli attuali materiali, è di circa 0,5 volt.
Soltanto la parte infrarossa della radiazione solare, con lunghezza d'onda superiore a 1 micrometro, è capace di determinare una corrente elettrica nelle fotocelle al silicio e in questo modo si utilizza però meno della metà dell'energia della radiazione solare totale. A causa di altre perdite si recupera, come elettricità, fra il 10 e il 15 % della radiazione solare totale. Le celle fotovoltaiche sono caratterizzate e vengono commerciate sulla base della "potenza di picco", cioè della potenza che sono in grado di assicurare nel mezzogiorno di una giornata di estate; in tali condizioni le fotocelle sono in grado di produrre 1 chilowattora in un'ora; la potenza è minore nelle altre stagioni. La potenza di un chilowatt di picco richiede una superficie di fotocelle di circa 10 m2 e consente di ottenere circa 1.000-1.300 Kwh di elettricità all'anno (circa 100-130 Kwh all'anno per m2 di superficie delle fotocelle). La produzione di elettricità nelle celle fotovoltaiche, che pure utilizzano sia la radiazione solare diretta sia quella diffusa, è intermittente; l'energia elettrica deve perciò essere accumulata in batterie di accumulatori che la restituiscono quando è richiesta e quando le fotocelle non la producono, per esempio di notte. L'elettricità prodotta dal Sole può essere accumulata utilizzandola, a mano a mano che si rende disponibile, per scomporre l'acqua producendo l'idrogeno che è un gas combustibile e può essere immagazzinato in un serbatoio. Oppure l'elettricità può essere usata per sollevare l'acqua in un bacino sopraelevato; quando il Sole non c'è, l'acqua scende attraverso una turbina e restituisce gran parte dell'energia accumulata. Con una adatta sistemazione delle fotocelle è possibile ottenere corrente elettrica anche a 150 volt; si tratta però di corrente continua, differente dalla corrente elettrica alternata che arriva nelle nostre case e nelle industrie. Poiché la maggior parte dei dispositivi elettrici funzionano a corrente alternata, occorre progettare e costruire nuove macchine e apparecchiature in grado di funzionare con l'elettricità, nella forma in cui viene fornita dalle celle fotovoltaiche solari. Il prezzo delle celle fotovoltaiche, divenute commerciali nel 1954, è andato diminuendo continuamente a mano a mano che aumentava la diffusione. Nel 2004 tale prezzo si aggira intorno a 5.000 euro per chilowatt di picco.
Le celle fotovoltaiche e i rendimenti
Il rendimento massimo teorico della trasformazione di energia solare in energia elettrica è del 32%. Le celle fotovoltaiche attualmente disponibili hanno un rendimento del 10% circa. Le vere e proprie batterie solari (pannelli fotovoltaici) sono costituite di solito da molti fotodiodi in serie e in parallelo tra loro per fornire elevate correnti (fino a qualche Ampere) ed elevate tensioni (fino a decine di Volt).
SILICIO AMORFO (a-Si:H) TRADIZIONALE
La tecnologia al silicio amorfo è stata in passato e continua ad essere oggetto di numerosi investimenti in ricerca e sviluppo. E’ sicuramente la tecnologia meno costosa e più semplice da produrre, ma anche quella che garantisce i rendimenti più bassi: rispetto al 16% del silicio cristallino il silicio amorfo arriva al 6 – 8%. Inoltre solo da poco si è riusciti ad ottenere moduli fotovoltaici in amorfo con garanzie di funzionamento interessanti, 10 anni di garanzia contro i 25 anni del c-Si. Il processo di creazione della cella 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.
TECNOLOGIA a-Si:H TANDEM & TRIPLE JUNCTION
Derivata dalla tecnologia precedente (a-Si:H tradizionale) questa tecnologia innovativa permette un maggior rendimento di funzionamento, il quale in alcuni casi arriva al 12% (triple junction). In pratica vengono aggiunte ulteriori giunzioni, trattate in maniera differente, le quali hanno risposte diverse allo spettro della luce, aumentando quindi la banda di funzionamento nello spettro solare.
Ad esempio: un modulo fotovoltaico costruito con questo tipo di tecnologia, paragonata al silicio cristallino C-Si, anche se di minor efficienza, a parità di potenza riesce a produrre in base annua un 20% in più di energia perché ha una migliore risposta alla radiazione solare diffusa.
TECNOLOGIA CADMIO TELLURIDE/CADMIOSULFIDE (CTS)
La cella solare CTS è composta da uno strato p (CdTe) e uno strato n (CdS) i quali formano una eterogiunzione p-n. La tecnologia di deposizione dei materiali si rifà a quella già elencata per il Silicio Amorfo. Differentemente dalla tecnologia a-Si:H la cella CTS riesce a ottenere efficienze maggiori: 8-10% per prodotti industriali (15,8% ottenuto in laboratorio). Uno dei problemi elencati per la produzione in larga scala della tecnologia CTS è il cadmio contenuto nella cella il quale può diventare un problema ambientale se non correttamente riciclato o utilizzato.
ARSENIURO DI GALLIO (GaAs) E DISPOSITIVI AD ALTA EFFICIENZA
La tecnologia GaAs è attualmente la più interessante dal punto di vista dell’efficienza ottenuta, superiore al 25-30%, ma la produzione di queste celle è limitata da costi altissimi e dalla scarsità del materiale, utilizzato prevalentemente nell’industria dei “semiconduttori ad alta velocità di commutazione” e dell’optoelettronica (led e fototransistors). Infatti la tecnologia GaAs viene utilizzata principalmente per applicazioni spaziali, dove sono importanti pesi e dimensioni ridotte. I risultati ottenuti con celle GaAs danno un’efficienza di conversione maggiore del 30%.
Nel 1999 un progetto congiunto tra Spectrolab e il National Renewable Energy Laboratory (NREL) ha raggiunto un record importante nelle conversione fotovoltaica, realizzando una cella solare con efficienza di conversione pari al 32,3%. Questa cella a tripla giunzione è stata costruita utilizzando tre strati di materiali semiconduttori, fosfuro di indio/gallio su arseniuro di gallio su germanio (GaInP2/GaAs/Ge). Si ritiene che siano possibili ulteriori progressi in breve tempo tali da permettere il raggiungimento della soglia del 40%.