Le celle fotovoltaiche: tutto quello che devi sapere
Una descrizione dettagliata delle celle fotovoltaiche
Le celle fotovoltaiche, chiamate anche celle solari, sono la base degli impianti solari fotovoltaici per la produzione di energia pulita e rinnovabile. Questi dispositivi elettrici sono in grado di convertire l’energia del sole in elettricità, sfruttando l’effetto fotovoltaico. E la cella solare costituisce solo un piccolo - ma fondamentale - tassello del puzzle che compone i moduli fotovoltaici.
In questo articolo scopriremo insieme com’è composta una cella fotovoltaica e cosa bisogna sapere a riguardo.
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Com’è composta una cella fotovoltaica
Solitamente, le celle fotovoltaiche sono caratterizzate da una forma quadrata, con dimensioni di circa 12,5 cm per lato, e uno spessore che oscilla tra 0,25 e 0,35 mm.
Il silicio è il materiale più diffuso per la realizzazione di queste celle fotovoltaiche. Tuttavia, l’avvento dei sistemi a film sottile ha condotto all’introduzione di nuovi componenti per la costruzione delle celle fotovoltaiche, come il diseleniuro di rame, l’indio e il tellururo di cadmio.
I dispositivi elettrici fotovoltaici sono equipaggiati di due strati, N e P, dotati rispettivamente di carica negativa e positiva. Grazie alla superficie anti-riflettente, le celle fotovoltaiche sono in grado di assorbire la luce solare.
Come funzionano le celle fotovoltaiche
Le celle fotovoltaiche funzionano grazie all’effetto fotovoltaico, trasformando l’energia solare incidente in elettricità. La struttura assorbe il fotone (una particella di luce), che entra in contatto con lo strato positivo della cella solare. A seguito dell’attiguità con P, il fotone rilascia un elettrone, che viene incanalato verso il circuito, generando così l’elettricità tramite la cella fotovoltaica.
Attenzione però: le celle fotovoltaiche rappresentano soltanto uno dei nuclei dei pannelli solari fotovoltaici e dunque di un impianto fotovoltaico. Ogni cella fotovoltaica è collegata alle restanti mediante elementi metallici, che danno vita a circuiti in parallelo o in serie. Dalla loro unione nasce il modulo fotovoltaico, noto anche come pannello solare fotovoltaico, il dispositivo che cattura la luce del sole, avviando il processo di trasformazione in energia elettrica. Il modulo fotovoltaico viene posizionato su delle strutture di sostegno, in modo da consentire l’orientamento e l’inclinazione corretti.
Dai un'occhiata a questo video per scoprire di più su come sono fatte le celle solari fotovoltaiche!
Nell'infografica qui sotto puoi vedere il funzionamento di una cella solare fotovoltaica:
Tipi di celle fotovoltaiche
Esistono diverse tipologie di celle fotovoltaiche in commercio, come per esempio:
- Le celle fotovoltaiche di silicio monocristallino (quelle che utilizziamo in Otovo): le celle solari in silicio monocristallino sono di colore blu scuro, tendente al nero. I dispositivi sono composti da cristalli di silicio monocristallino e si caratterizzano per i bordi smussati e l’orientamento tutti nella stessa direzione. I pannelli solari fotovoltaici realizzati con questo tipo di celle fotovoltaiche garantiscono un’efficienza energetica del 18-21 %, in presenza di luce perpendicolare.
- Le celle fotovoltaiche di silicio policristallino: le celle fotovoltaiche di silicio policristallino sono costituite da cristalli di silicio con orientamento diverso. I moduli solari fotovoltaici composti da tali celle sono dotati di un’efficienza inferiore rispetto alle prime in silicio monocristallino, ma riescono a sfruttare in miglior modo il rendimento durante la giornata.
- Le celle fotovoltaiche di silicio amorfo idrogenato: le celle solari fotovoltaiche in silicio amorfo idrogenato appartengono ai dispositivi di seconda generazione. I pannelli fotovoltaici realizzati con questo materiale assicurano una performance maggiore e un basso degrado del modulo. In questa maniera, i pannelli fotovoltaici garantiscono una maggiore efficienza energetica.
- Le celle fotovoltaiche al tellururo di cadmio: il tellururo di cadmio rappresenta un ottimo semiconduttore per la realizzazione dei pannelli fotovoltaici, nonostante venisse inizialmente considerato come un materiale di scarto dell’estrazione dei minerali. Le celle fotovoltaiche di questa tipologia sono dotate di una maggiore capacità di assorbimento della luce e sopportano più a lungo l’esposizione a temperature elevate. Tuttavia, il tellururo di cadmio è un elemento tossico, da maneggiare con cura e con precisi accorgimenti di contenimento.
- Le celle fotovoltaiche al seleniuro di rame, indio e gallio: le celle fotovoltaiche al seleniuro di rame, indio e gallio rappresentano uno dei migliori prodotti della ricerca per l’energia solare. Questo materiale è caratterizzato dal più alto coefficiente di assorbimento tra i semiconduttori adoperati per le celle solari. L’efficienza dei pannelli solari fotovoltaici realizzati con tali celle solari è superiore al 21%.
- Le celle fotovoltaiche in perovskite: la perovskite è un minerale di biossido di titanato di calcio, che si contraddistingue per la struttura cristallina estremamente regolare. Le celle solari in perovskitiche sono state oggetto di un’intensa attività di ricerca, considerati i bassi costi di produzione e l’elevato coefficiente di efficienza. Tuttavia, la lavorazione delle celle solari fotovoltaiche in perovskite richiede l’impiego del piombo, una sostanza inquinante.
I benefici dei pannelli fotovoltaici
Fortunatamente, sempre più consumatori si stanno avvicinando al mondo del fotovoltaico, poiché una scelta di questo tipo corrisponde a un beneficio sia sul piano economico, che ambientale.
Gli impianti fotovoltaici, infatti, rappresentano uno dei sistemi più efficienti per la produzione di energia pulita e rinnovabile; e non sono da trascurare nemmeno i vantaggi economici, derivanti dalla notevole riduzione dei costi in bolletta. Inoltre, la scelta di optare per una produzione di energia elettrica sostenibile per la propria abitazione determina un aumento del valore immobiliare.
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Richiedi un preventivo personalizzatoCelle solari: alcune curiosità
54 celle fotovoltaiche per i più recenti moduli solari
Fino a poco tempo fa gli impianti fotovoltaici di taglia residenziale erano formati da moduli solari da 60 celle fotovoltaiche. Nel corso degli anni, i prodotti si sono evoluti ed è ora possibile installare sistemi fotovoltaici costituiti da meno moduli ma con la stessa potenza. In questo contesto, diversi produttori di pannelli fotovoltaici hanno lanciato sul mercato i moduli solari fotovoltaici con 54 celle fotovoltaiche, che con la tecnologia half cut arrivano a 108 mezze celle.
Considerando le problematiche relative allo spazio sui tetti, questi moduli fotovoltaici potrebbero essere una delle migliori soluzioni sul mercato.
I progressi delle celle solari sottili
Le celle fotovoltaiche sottili sono la giusta alternativa per portare il fotovoltaico dove le celle tradizionali non riescono ad arrivare. Recentemente, questa tipologia di celle fotovoltaiche sono diventate sempre più sottili e flessibili e quindi sempre più facili da integrare. Tuttavia, però, il loro ridotto spessore ne riduce l'efficienza.
Proprio per questo motivo un gruppo di scienziati della Surrey University e dell'Imperial College di Londra ha creato una nuova tecnologia di celle fotovoltaiche sottili in grado di assorbire facilmente i fotoni. I test di laboratorio di queste celle fotovoltaiche ha mostrato che queste possono assorbire fino al 65% della luce solare, un valore veramente alto per unità così sottili.
Celle solari tandem: cosa sono?
Tra le ultime notizie che abbiamo trovato sulle celle solari fotovoltaiche c'è il concetto di fotovoltaico tandem, un'unione di celle fotovoltaiche diverse dalle allettanti potenzialità. Secondo una delle ultime ricerche di settore, questa tipologia di celle può raggiungere un'efficienza del 28,7%, la più alta per questa categoria.
Celle fotovoltaiche spaziali: la produzione sulla luna
Come si legge in un articolo di Rinnovabili.it, alcuni studiosi della Tallin University of Technology, in Estonia, stanno iniziando a rivalutare l'utilità industriale della pirite, minerale molto comune, formato da disolfuro di ferro e di colore dorato o tendente al giallo chiaro.
La scienziata Katriin Kristmann sta studiando un nuovo metodo per produrre celle solari e questo materiale potrebbe costituire una promettente fonte di energia per la Luna. La ricerca, infatti, è improntata all'utilizzo di materiali facilmente reperibili nel suolo lunare, con con la previsione di impiegare i risultati per fornire elettricità ai futuri avamposti dell’Agenzia spaziale europea (ESA) e dei suoi partner internazionali. E si farebbe partire il tutto da minuscoli cristalli di pirite dalle dimensioni di appena quattro centesimi di millimetri.
Cosa sono le celle anti solari
Una delle ultime news del mondo del fotovoltaico sono le celle anti solari. Questa ultima tecnologia è in grado di generare energia dai raggi del sole di giorno e "invertire" il suo funzionamento di notte per continuare a produrre energia.
Il termine anti-solari è stato coniato ironicamente da degli scienziati di Stanford. Tuttavia evidenzia per bene il concetto della nuova tecnologia.
L'idea alla base di queste nuove celle fotovoltaiche è quella di integrare la tradizionale cella a un generatore termoelettrico basato sul raffrescamento radioattivo notturno. Quest'ultimo è un fenomeno per cui un corpo riesce a sprigionare considerevoli quantità di calore nello spazio profondo sotto forma di luce infrarossa.
Ma quali sono i risultati di questa tecnologia?
L'obiettivo di queste celle anti solari è quella di creare almeno 1 W di energia per metro quadrato. Tuttavia il dispositivo che è stato creato a Stanford è riuscito a fornire solo 50 milliwatt per metro quadrato.
Un nuovo record: la cella solare organica-perovskite
Nuovo record per la ricerca dei semiconduttori organici. Il team del prof. Thomas Riedl dell'Università di Wuppertal ha realizzato una cella solare organica-perovskite. La sua architettura permette di sfruttare in contemporanea le diverse capacità dei materiali, nello specifico la capacità di assorbire le lunghezze d'onda ultraviolette e visibili della luce con i semiconduttori a base di carbonio e quelle nel vicino infrarosso con le perovskiti.
Questa particolare cella fotovoltaica organica-perovskite ha mostrato un'efficienza del 24%, superando il passato record mondiale di ben quattro punti.
La nuova cella termofotovoltaica che trasforma il calore in energia elettrica
Ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) e del National Energy Laboratory hanno pubblicato i risultati di una ricerca illuminante. Hanno studiato nel dettaglio una cella termofotovoltaica in grado di catturare il calore e trasformarlo in elettricità, il tutto con valori di efficienza di conversioni vicine al 40%.
Le caratteristiche di questo nuovo motore termico sono simili a quelle delle celle fotovoltaiche tradizionali, ma cattura fotoni ad alta energia da una fonte incandescente per produrre elettricità, riuscendo così a produrre energia da temperature comprese tra i 1.900 e i 2.000° C. Grazie a questo meccanismo si avrà la possibilità di aumentare l'approvvigionamento dalla rete anche quando l'energia da fonti pulite non è sufficiente.
Celle fotovoltaiche-piezoelettriche: l'evoluzione del solare indoor
I ricercatori della Ritsumeikan University hanno migliorato le prestazioni del fotovoltaico a film sottile utilizzando un semiconduttore piezoelettrico. Cosa significa? Che l'uso di materiali di questo tipo - dunque che generano energia elettrica in seguito sollecitazioni meccaniche - può migliorare le prestazioni di dispositivi optolettronici come le celle fotovoltaiche.
Tale effetto è in grado di modulare in modo efficiente l’energia del gap di banda alla giunzione pn (interfaccia) delle celle fotovoltaiche, incrementando di conseguenza anche l’efficienza.
Nuove celle solari flessibili
Le celle fotovoltaiche flessibili sono realizzate in seleniuro di indio rame gallio (CIGS) e sono caratterizzate da un'efficienza luminosa di conversione pari al 22%.
Il CIGS è un materiale che si distingue per la sua notevole flessibilità e leggerezza, e rappresenta un’ottima alternativa per consentire la produzione dell’elettricità solare a basso costo nel prossimo futuro.
Resistenti e indistruttibili, queste celle flessibili risultano particolarmente adatte per applicazioni su edifici, veicoli, satelliti e dispositivi portatili.
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Domande frequenti
Come funzionano le celle fotovoltaiche?
La cella fotovoltaica è composta da silicio: questo materiale semiconduttore può convertire l'energia della radiazione solare (luce) in energia elettrica. Quando i fotoni (particelle di energia) della luce solare colpiscono la cella fotovoltaica, una parte di energia si trasforma in calore, una parte viene riflessa, e un'ultima parte provoca uno spostamento degli elettroni degli atomi nel materiale semiconduttore.
Da quante celle fotovoltaiche è composto un pannello solare?
I pannelli fotovoltaici monocristallini sono costituiti da 48, 60, 72 oppure fino a 96 celle ciascuno.
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