Il fisico francese Alexandre Edmond Becquerel fece la scoperta sensazionale già nel 1839: quando la luce (foto) cade su alcune sostanze, si crea tensione (voltaica). Ma come funziona con il fotovoltaico? Spieghiamo come funzionano.
Dopo la sua scoperta, ci sono voluti 120 anni perché il fotovoltaico servisse come fonte di energia per i primi satelliti e veicoli spaziali. Nel frattempo, la cella solare è diventata un popolare fornitore di elettricità per i risparmiatori di energia
Questo è ciò di cui è composta la cella solare
Solo alcuni materiali possono convertire la luce in elettricità, uno di questi è il silicio. Più del 90 percento di tutte le celle solari sono realizzate in silicio. Il suo vantaggio: la materia prima sabbia di quarzo è disponibile in quantità sufficienti sulla terra e il silicio è ecologico.
La luce scioglie gli elettroni nello strato limite (verde), che rifluiscono all'esterno attraverso la lampadina.
Una cella solare cristallina di solito è costituita da due strati di silicio - insieme da due a tre decimi di millimetro di spessore.
Sul lato soleggiato, il silicio è deliberatamente intervallato da atomi di fosforo. Per dirla semplicemente, gli atomi di fosforo hanno un elettrone negativo di troppo (cioè negativo). Gli atomi di boro si trovano sull'altro lato della cellula: hanno un elettrone di troppo poco (cioè positivo). Gli strati negativi e positivi si toccano.
L'elettricità fluisce dalla cella solare tramite regolatori di carica e inverter nella batteria o nella rete elettrica.
Con la luce al flusso di elettricità
Quando la luce colpisce la cellula, gli elettroni vengono messi in movimento. Una volta che iniziano, saltano oltre il confine dallo strato negativo a quello positivo, dove mancano gli elettroni - gli altri salgono. Gli elettroni migrano indietro al loro vecchio strato sul lato inferiore della cella tramite una griglia metallica (dito di contatto), un cavo e una piastra portante (contatto). Quando il circuito è chiuso, la corrente elettrica scorre. Più raggi luminosi colpiscono gli elettroni, più elettricità viene prodotta. Se l'irraggiamento rimane lo stesso, il guadagno di potenza dipende esclusivamente dalla superficie. Maggiore è la superficie, maggiore è l'amperaggio. Se il sole splende più forte, la cella solare produce più elettricità. Questa è corrente continua poiché è anche immagazzinata nelle batterie. Tuttavia, le celle solari non possono immagazzinare elettricitàlo consegnano.
Il modulo solare
Le celle solari non possono funzionare all'aperto senza protezione. Devono essere sotto una copertura: il modulo.
Diverse celle solari sono collegate insieme per formare un'unità nel modulo. Le cellule cristalline sono legate insieme e collegate tra loro. I trefoli sono confezionati in pellicola di plastica e posti tra due lastre di vetro. La tecnologia a film sottile produce una grande cella quando la lastra di vetro viene vaporizzata. Un laser li taglia in strisce che sono interconnesse.
Un alimentatore, chiamato anche inverter, converte la corrente continua generata dai moduli in corrente alternata (tensione alternata a 230 volt). Tutta l'elettricità generata viene immessa nella rete pubblica. Questo è remunerato in conformità con il "Renewable Energy Sources Act" (EEG).
Due tipi: celle solari cristalline e amorfe
Esistono due tipi di celle solari: cristalline e amorfe. Le celle cristalline rappresentano circa l'80% della produzione globale.
Celle solari monocristalline: il materiale di partenza è il costoso silicio ultra puro, che viene estratto da una fusione di silicio in un processo lungo e costoso, pressato in barre e tagliato a fette fino a 12 centimetri di diametro. Nel monocristallo tutti gli atomi sono allineati allo stesso modo. Il blu al nero, a richiesta anche celle di colore diverso, sfruttano i raggi solari in laboratorio fino al 24 per cento; in pratica, tuttavia, solo fino al 16 per cento.
Celle solari multicristalline: il polisilicio prodotto industrialmente è più economico della produzione di monocristalli. In pratica, l'efficienza delle celle bluastre è compresa tra l'11 e il 14 percento.
Le celle cristalline difficilmente perdono la loro efficienza anche nel corso di decenni.
Celle solari amorfe
Le celle amorfe più economiche sono adatte per giochi d'acqua in giardino o bilance domestiche in casa, nonché su grandi facciate. Se lo spazio per un grande impianto fotovoltaico è limitato, le celle cristalline funzionano in modo più efficace.
Ecco come vengono costruite le celle amorfe: lo strato che genera elettricità viene vaporizzato su una lastra di vetro. Gli atomi non sono più immagazzinati in una struttura cristallina, ma in modo disordinato (amorfo). Questo processo richiede relativamente poco silicio: ciò abbassa il prezzo. Rispetto alle celle cristalline spesse da 0,2 a 0,3 millimetri, le celle a film sottile misurano solo da 0,01 a 0,05 millimetri. Le celle sono marroni o antracite e hanno un'efficienza dal sei al sette percento. Nelle giornate uggiose, le cellule amorfe forniscono più elettricità di altre.
L'efficienza delle celle amorfe diminuisce nel corso degli anni: dopo 20 anni è circa il 70 per cento della produzione iniziale.
Moderni moduli solari possono anche essere installati discretamente sul tetto del patio o sul posto auto coperto.
nuove tecnologie
Due celle a film sottile più recenti funzionano senza silicio: materiale costituito da diseleniuro di rame e indio (CID) e da tellururo di cadmio (CdTe). Le nuove celle sono attualmente utilizzate negli impianti pilota. La tecnologia del futuro è un nuovo processo a film sottile in cui uno strato di silicio cristallino viene applicato a un materiale di supporto. Ciò combina l'elevata efficienza delle celle cristalline con il basso consumo di materiale delle celle a film sottile.
Ci sono limiti alle prestazioni?
Come spiegato sopra, i moduli monocristallini raggiungono i massimi livelli di efficienza, seguiti dai moduli solari policristallini. Tuttavia, i vantaggi dei moduli monocristallini sono compensati dall'elevato dispendio di energia e dai costi per la crescita dei cristalli di silicio. Uno sviluppo più recente potrebbe avere un grande potenziale qui: i moduli quasi monocristallini. Si tratta di moduli policristallini che, grazie ad uno speciale sistema di controllo, hanno proprietà simili ai moduli monocristallini durante la crescita dei cristalli.
L'efficienza di una sostanza non può essere ulteriormente sviluppata a piacere e ha limiti naturali, perché il materiale può elaborare solo determinate lunghezze d'onda della luce. Con i moduli in silicio monocristallino, il grado di efficienza più elevato possibile è in teoria compreso tra il 29 e il 33 percento.
Questo ha raggiunto la fine dell'asta della bandiera? No, perché le nuove tecnologie creano anche nuove opportunità. Le cosiddette celle solari tandem, ad esempio, possono aumentare l'efficienza utilizzando un semplice principio: se si impilano materiali diversi per parti diverse dello spettro luminoso uno sull'altro, anche l'efficienza aumenta. È già stato raggiunto più del 40 percento e più dell'80 percento è concepibile per il futuro.
Anche l'efficienza naturale viene ulteriormente affinata. Scienziati giapponesi hanno annunciato un nuovo record di efficienza per le celle solari al silicio del 26,3% all'inizio del 2017. Questo non è lontano dal limite specifico del materiale. Tuttavia, in questo caso si applica quanto segue: un grado di efficienza più elevato rende l'energia solare più economica solo se i costi di produzione non aumentano nella stessa misura.