Le celle solari sono dispositivi non meccanici che utilizzano semiconduttori per convertire direttamente la luce solare in elettricità tramite l'effetto fotovoltaico. Intuitivamente, si potrebbe pensare che le celle solari funzionino al meglio in presenza di luce solare intensa, ma è davvero così?
L'umanità utilizza da tempo l'energia solare, principalmente attraverso tre metodi di conversione: la conversione fotovoltaica, la conversione fototermica e la conversione fotochimica. La produzione di energia fotovoltaica (FV), che converte la luce solare in elettricità, è uno degli utilizzi più efficienti dell'energia solare.
L'effetto fotovoltaico fu osservato per la prima volta nel 1839 dallo scienziato francese Edmond Becquerel e si riferisce alla generazione di un potenziale elettrico quando la luce colpisce un semiconduttore. In seguito, Einstein spiegò questo effetto utilizzando la teoria quantistica della luce, che gli valse il Premio Nobel per la Fisica nel 1921.
A differenza dell'effetto fotoelettrico, che si verifica quando la luce colpisce un singolo conduttore, l'effetto fotovoltaico si manifesta al confine tra due piastre semiconduttrici. Quando queste sono collegate da un filo, tale confine crea un campo elettrico che permette il passaggio della corrente.
Come fanno dunque le celle solari a trasformare la luce del sole in elettricità? La luce solare è uno spettro ampio di radiazioni elettromagnetiche. Quando colpisce una cella solare, le radiazioni possono essere riflesse, assorbite o attraversarla. Solo le radiazioni assorbite vengono convertite in energia elettrica.
Nei semiconduttori a base di silicio, è necessaria un'energia di 1,11 elettronvolt (eV) per strappare un elettrone dal suo atomo. Solo i fotoni con un'energia superiore a questa soglia possono generare elettricità. Tuttavia, l'energia in eccesso proveniente da fotoni ad alta energia viene dispersa sotto forma di calore, contribuendo al riscaldamento del pannello solare, la cui temperatura può quindi superare quella dell'aria ambiente.
Contrariamente a quanto si crede comunemente, le celle solari a base di silicio prediligono ambienti più freddi, pur avendo comunque bisogno della luce solare. Con l'aumento delle temperature, i pannelli solari producono meno energia, a parità di irraggiamento solare ricevuto.
Le alte temperature riducono principalmente la tensione a circuito aperto (la tensione in assenza di corrente), mentre la corrente di cortocircuito (la corrente che si verifica quando la cella è in cortocircuito) rimane relativamente stabile. Ciò significa che temperature più elevate comportano una minore efficienza e una riduzione della potenza in uscita.
Le celle solari vengono generalmente testate a una temperatura standard di 25 °C (77 °F). Quando la temperatura del pannello raggiunge i 60 °C (140 °F) o più, la sua potenza erogata diminuisce significativamente. Per ogni grado di aumento della temperatura, la corrente di cortocircuito aumenta solo dello 0,04%, mentre la tensione a circuito aperto diminuisce dello 0,4%.
Sebbene l'efficienza diminuisca in estate, l'abbondanza di luce solare durante questa stagione si traduce comunque in una produzione energetica complessiva superiore rispetto alle altre stagioni.
Come raffreddare i pannelli solari
Come altri dispositivi elettronici, i pannelli solari funzionano meglio a temperature più basse. Poiché si basano sulla luce solare anziché sul calore per produrre energia, funzionano al meglio in condizioni di luce intensa ma con temperature fresche.
Per raffreddare i pannelli solari durante l'estate, dovremmo installare una copertura? Certo che no! Bloccare la luce solare vanificherebbe lo scopo stesso del pannello solare. E se applicassimo una crema solare? Nemmeno l'applicazione di barriere fisiche ridurrebbe l'assorbimento della luce, e i metodi chimici non contribuirebbero ad abbassare la temperatura.
Per i pannelli solari installati sui tetti, la ventilazione naturale rappresenta un metodo efficace ed economico per il loro raffreddamento. Installando i pannelli con uno spazio tra questi e il tetto, si permette all'aria di circolare e di raffreddarli. Tuttavia, è importante rimuovere foglie e detriti da questo spazio per mantenere un flusso d'aria costante ed evitare il surriscaldamento.
I ricercatori hanno anche studiato diversi metodi di raffreddamento per migliorare l'efficienza dei pannelli solari. Oltre alla ventilazione naturale, sono stati esplorati il raffreddamento ad aria forzata e il raffreddamento fotovoltaico-termico (PVT), offrendo spunti preziosi per abbassare la temperatura dei pannelli e aumentare la produzione di energia.
Man mano che le celle solari, ambasciatrici dell'energia pulita, si integrano sempre più nelle nostre vite, portano con sé una nuova ondata di soluzioni a basse emissioni di carbonio e rispettose dell'ambiente.
