Celle fotovoltaiche, come e perché…

 

In questa serie di articoli (a due puntate) cercheremo di rispondere a tutti voi che vi avvicinate per la prima volta al settore del fotovoltaico, spinti dalla curiosità, dalla voglia di imparare oppure perché vedete in esso un possibile campo d’investimento personale, sia come consumatore sia facendo vesti d’installatore. Tratteremo la questione fotovoltaica avendo in mente le probabili domande e relative utili risposte dell’italiano medio che pensa all’impianto fotovoltaico come un investimento per la propria casa.

 

Si parte

Tutti voi avrete probabilmente visto una calcolatrice a celle solari, dispositivi che non necessitano di batterie e, in alcuni casi, non hanno nemmeno bisogno di un pulsante di spegnimento. Fino a quando c’è abbastanza luce, sembrano di poter funzionare per sempre. Può anche darsi che avete visto pannelli solari più grandi, impegnati nella segnaletica stradale e nei telefoni di emergenza, boe trasmettitrici a largo e pure in alcuni parcheggi per alimentare le luci.

Anche se questi pannelli più grandi non sono così comuni come le calcolatrici a energia solare, sono là fuori e non così difficile da individuare se si sa dove guardare. In realtà, i pannelli fotovoltaici che una volta venivano usati quasi esclusivamente nello spazio, per alimentare gli impianti elettrici dei satelliti già nel lontano 1958,  vengono utilizzati sempre di più in modi meno esotici. La tecnologia continua a portarci innovazioni sotto forma di nuovi dispositivi, dagli occhiali da sole alle stazioni di ricarica per i veicoli elettrici.

La speranza di una “rivoluzione solare” esiste da decenni, l’idea che un giorno useremo tutti, l’elettricità gratuita del sole è una promessa seducente, perché in una giornata luminosa, i raggi del sole emettono circa 1.000 watt di energia per metro quadrato di superficie del pianeta. Se potessimo raccoglierli tutti e trasformarli in energia, potremo facilmente alimentare le nostre case e uffici gratuitamente.

Nel prossimo paragrafo prenderemo in esame le celle solari per imparare come si converte l’energia solare direttamente in energia elettrica. Più avanti, imparerete perché ci stiamo avvicinando a utilizzare l’energia del sole su base giornaliera, e perché abbiamo ancora molta ricerca da fare prima che il processo diventa conveniente.

 

Celle fotovoltaiche: Conversione di fotoni in elettroni

Le celle solari che si vedono nelle calcolatrici e nei satelliti sono chiamate anche fotovoltaiche, che, come suggerisce il nome (che deriva dal “foto” che significa “luce” e “voltaico” che significa “elettricità’”), convertono la luce solare direttamente in energia elettrica. Un modulo è un gruppo di celle collegate elettricamente e confezionato in un telaio (più comunemente noto come pannello fotovoltaico), che poi può essere raggruppato in schiere (parchi) solari, come uno operativo a Montalto di Castro vicino a Roma.

Le celle fotovoltaiche sono fatte di materiali speciali chiamati semiconduttori come il silicio, che è attualmente l’elemento utilizzato più comunemente. In sostanza, quando la luce colpisce la cella, una certa parte di esso viene assorbita dal materiale semiconduttore. Ciò significa che l’energia della luce assorbita viene trasferita al semiconduttore. L’energia riesce a liberare gli elettroni dai loro legami, permettendo loro di fluire liberamente.

Tutte le celle solari vengono equipaggiate con uno o più campi elettrici che agisce per forzare gli elettroni liberati, con l’assorbimento della luce, di fluire in una certa direzione. Questo flusso di elettroni è una corrente, e ponendo contatti metallici sulla parte superiore e inferiore della cella fotovoltaica, si può estrare la corrente elettrica e trasferirla a seconda del bisogno, alimentando una calcolatrice per esempio. Questa corrente, insieme alla tensione della cella (che è il risultato del campo elettrico interno), definisce la potenza (o wattaggio) che la cella solare può produrre.

Questo è il processo di base, ma c’è davvero molto di più. In seguito, daremo uno sguardo più dettagliato prendendo come esempio una tipica cella fotovoltaica: la cella al silicio monocristallino.

 

Come il silicio diventa una cella fotovoltaica.

Il silicio ha alcune proprietà chimiche particolari, soprattutto nella sua forma cristallina. Un atomo di silicio ha 14 elettroni, disposti su tre diversi livelli energetici (orbitali). I primi due livelli (che tengono da due a otto elettroni rispettivamente) sono completamente pieni. Il livello esterno, tuttavia, è solo mezzo pieno avendo solo quattro elettroni. Un atomo di silicio sarà sempre alla ricerca di modi per riempire il suo livello esterno, e per fare questo, condividerà elettroni con quattro atomi vicini. Possiamo immaginarlo come un atomo che tiene la mano dell’atomo vicino, tranne che in questo caso, ogni atomo ha quattro mani giunte a quattro atomi vicine. È quello che forma la struttura cristallina, e tale struttura lo rende importante per questo tipo di cella fotovoltaica.

L’unico problema è che il puro silicio cristallino è un cattivo conduttore di elettricità perché nessuno dei suoi elettroni è libero di muoversi, a differenza degli elettroni in conduttori più ottimali come il rame. Per risolvere questo problema, il silicio in una cella fotovoltaica ha impurità, cioè altri atomi volutamente mescolati con gli atomi di silicio, che cambiano il modo in cui funzionano le cose. Siamo abituati a pensare delle impurità come qualcosa d’indesiderabile, ma in questo caso, la nostra cella non avrebbe funzionato senza di loro. Considerate il silicio con l’aggiunta di atomi di fosforo qua e là, forse uno per ogni milione di atomi di silicio. Il fosforo ha cinque elettroni nel suo guscio esterno, non quattro ed è in grado di creare legami con gli atomi di silicio vicini, ma seguendo  l’esempio di prima, il fosforo ha un elettrone che non ha nessuno con cui tenere le mani. Non prende parte in nessun legame, ma c’è un protone positivo nel nucleo del fosforo a mantenerlo in posizione.

Quando energia viene aggiunta nel silicio puro, sotto forma di calore, ad esempio, può causare alcuni elettroni di liberarsi dai propri legami e lasciare i loro atomi. In ogni caso ci rimane una lacuna. Questi elettroni, chiamati vettori liberi, poi vagano casualmente intorno al reticolo cristallino, cercando un’altra lacuna in cui cadere e portano una corrente elettrica. Tuttavia, ci sono così pochi nel silicio puro, che non sono molto utili.

Ma il nostro silicio impuro mescolato ad atomi di fosforo è una storia diversa. Ci vuole molta meno energia per eccitare uno dei nostri elettroni “extra” del fosforo perché non sono legati in un vincolo con atomi vicini. Come risultato, la maggior parte di questi elettroni si liberano, e abbiamo molti più vettori liberi di quanto avremmo col silicio puro. Il processo per aggiungere deliberatamente impurità è chiamato doping, e quando contiene fosforo, il silicio risultante è chiamato di tipo N (“n” per negativo) a causa della prevalenza di elettroni liberi. Il silicio di tipo-N dunque è un conduttore migliore del silicio puro.

L’altro lato di una tipica cella solare è “dopata” con l’elemento boro, che ha solo tre elettroni nel guscio esterno invece di quattro, per diventare silicio di tipo-P (“p” per positivo). Invece di avere elettroni liberi, il silicio di tipo P presenta lacune libere (richiede cioè elettroni liberi) e porta la carica contraria (positiva).

Diamo allora uno sguardo più da vicino su quello che succede quando queste due sostanze iniziano a interagire.

 

Anatomia di una cella solare

Prima d’ora, i nostri due pezzi separati di silicio erano elettricamente neutri, la parte interessante comincia quando li si mette insieme. Questo perché senza un campo elettrico, la cellula non funzionerebbe, il campo si forma quando i due tipi N e P del silicio vengono a contatto. Improvvisamente, gli elettroni liberi sul lato N vedono tutte le lacune sul lato P, e c’è una folle corsa per riempirle. Riescono tutti gli elettroni liberi a riempire tutte le lacune libere? La risposta e no. Se così fosse, allora l’intera operazione non sarebbe molto utile. Tuttavia, incontrandosi al bivio tra le due parti, si mischiano e formano una sorta di barriera, rendendo sempre più difficile per gli elettroni sul lato N di passare al lato P. Alla fine, l’equilibrio è raggiunto, e abbiamo un campo elettrico che separa le due parti.

Questo campo elettrico, agisce come un diodo, permettendo (e a volte addirittura spingendo) agli elettroni di fluire dal lato P al lato N, ma non viceversa. E’ come una collina, gli elettroni possono facilmente andare giù per la collina (a lato N), ma non riescono a salirla (al lato P).

Quando la luce, in forma di fotoni, colpisce la cella solare, l’energia rompe le coppie elettrone-lacuna. Ciascun fotone con energia sufficiente normalmente liberà esattamente un elettrone, risultando anche in una lacuna libera. Se questo accade abbastanza vicino al campo elettrico, o se elettroni liberi e lacuna libera capita di vagare nel suo raggio di influenza, il campo invierà l’elettrone al lato N e la lacuna al lato P. Questo provoca l’interruzione della neutralità elettrica, e se si fornisce un percorso di corrente esterno, gli elettroni fluiranno attraverso il percorso lato P per unirsi con lacune che il campo elettrico ha inviato lì, facendo il lavoro per noi lungo la strada. Il flusso degli elettroni fornisce la corrente, e il campo elettrico della cella provoca la tensione. Sia con corrente e tensione, abbiamo potenza, che è il prodotto delle due.

C’è un altro paio di componenti tralasciati prima di poter davvero utilizzare la nostra cella. Il silicio è un materiale molto lucido, che può far rimbalzare i fotoni via prima di aver fatto il loro lavoro, per questo li viene applicato un rivestimento antiriflettente per ridurre tali perdite. Il passo finale è quello di installare qualcosa che protegge la cella dagli elementi, spesso una lastra di copertura in vetro. I moduli fotovoltaici sono generalmente realizzati collegando insieme diverse celle singole per raggiungere livelli utili di tensione e corrente, mettendoli infine in un robusto telaio, completato da terminali positivi e negativi.

Quanta energia solare può assorbire la nostra cella fotovoltaica? Purtroppo dobbiamo rispondere “probabilmente non molta”. Nel 2006, ad esempio, i pannelli solari hanno raggiunto livelli di efficienza di circa 12-18 per cento. Allora perché è una sfida cosi grande sfruttare al meglio una giornata di sole?

 

Perdita di energia in una cella solare

La luce visibile è solo una parte dello spettro elettromagnetico. La radiazione elettromagnetica non è monocromatica, è costituita da una serie di diverse lunghezze d’onda, e quindi diversi livelli di energia.

La luce può essere separata in diverse lunghezze d’onda, che si possono osservare nella forma di un arcobaleno. Poiché la luce che colpisce la nostra cella ha fotoni di una vasta gamma di energie, si scopre che alcuni di loro non hanno energia sufficiente per modificare una coppia elettrone-lacuna. Passerano semplicemente attraverso la cella come se fosse trasparente. Atri fotoni invece hanno troppa energia. Solo una certa quantità di energia, misurata in elettronvolt (eV) e definita dal nostro materiale a celle (circa 1,1 eV per il silicio cristallino), è necessaria per eccitare un elettrone e renderlo libero. Noi chiamiamo questa l’energia di gap (o banda proibita) di un materiale. Se un fotone ha più energia rispetto alla quantità necessaria, allora l’energia in eccesso sarà persa.  Questo vale, a meno che un fotone non abbia due volte l’energia necessaria, e così può liberare più di una coppia elettrone-lacuna, (ma questo effetto non è significativo). Questi due effetti da soli possono spiegare la perdita di circa il 70 per cento dell’energia di radiazione che incide sulla nostra cella.

Perché non possiamo scegliere un materiale con un’energia di gap molto bassa, in modo da poter utilizzare più fotoni? Purtroppo, la nostra energia di gap determina anche la forza (tensione) del nostro campo elettrico, e se è troppo bassa, allora quello che si guadagna in corrente supplementare (assorbendo più fotoni), si perde avendo una tensione bassa. Ricordate che la potenza è il prodotto della tensione e del corrente. L’energia di gap ottimale, bilanciando questi due effetti, è di circa 1,4 eV per una cella fotovoltaica fatta da un unico materiale.

Ci sono pure altre perdite. Gli elettroni devono fluire da un lato della cellula all’altra attraverso un circuito esterno. Possiamo coprire il fondo con un metallo, consentendo una buona conduzione, ma se si copre completamente la parte superiore, allora i fotoni non possono passare attraverso il conduttore opaco e perdiamo tutta la nostra corrente (in alcune celle, vengono utilizzati conduttori trasparenti sulla superficie superiore, ma non in tutte). Se mettiamo i nostri contatti solamente ai lati della nostra cella, allora gli elettroni devono percorrere una distanza estremamente lunga per raggiungerli. Ricordate, il silicio è un semiconduttore, non è alla pari di un metallo per il trasporto di corrente. La sua resistenza interna (chiamata resistenza in serie) è piuttosto alta, e alta resistenza significa perdite elevate. Per minimizzare tali perdite, le celle sono tipicamente coperte da una griglia metallica di contatto che accorcia la distanza che gli elettroni devono viaggiare, mentre copre solo una piccola parte della superficie della cella. Anche così, alcuni fotoni vengono bloccati dalla griglia, che non può essere troppo fine altrimenti la propria resistenza, sarà troppo alta.

 

E con questo abbiamo finito con la prima parte del nostro articolo, ora sappiamo come funziona una cella solare, dunque seguiteci la prossima volta quando vedremmo cosa ci vuole per alimentare una casa con la tecnologia fotovoltaica.

Celle fotovoltaiche, come e perché…
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