La produzione di energia solare, in quanto soluzione energetica pulita di primaria importanza, ha riscosso notevole interesse da parte del settore. Se siete interessati, analizziamo insieme la struttura delle celle solari e i relativi materiali fotovoltaici.
La produzione di energia solare, spesso indicata come produzione tramite celle solari, converte direttamente la luce solare in elettricità. Nei pannelli solari, i fotoni provenienti dal sole dislocano gli elettroni dai legami atomici dei materiali semiconduttori. Quando questi elettroni sono costretti a muoversi nella stessa direzione, generano una corrente elettrica che può alimentare dispositivi elettronici o essere immessa nella rete elettrica.
Da quando il fisico francese Alexandre-Edmond Becquerel teorizzò per la prima volta la tecnologia fotovoltaica nel 1839, la produzione di energia solare è stata un tema chiave della ricerca. Oggi, con importanti gruppi di ricerca provenienti da Stati Uniti, Giappone ed Europa che stanno accelerando la commercializzazione dei loro sistemi solari, il mercato internazionale per l'industria fotovoltaica continua ad espandersi.
Moduli fotovoltaici
Sebbene i materiali utilizzati nei sistemi fotovoltaici varino, tutti i moduli sono costituiti da diversi strati, dal lato anteriore a quello posteriore. La luce solare attraversa prima uno strato protettivo (solitamente vetro), poi uno strato di contatto trasparente e raggiunge la cella vera e propria. Al centro del modulo si trova il materiale assorbente, che cattura i fotoni per generare corrente elettrica. Il tipo di materiale semiconduttore utilizzato dipende dalle specifiche esigenze del sistema fotovoltaico.
Sotto il materiale assorbente si trova lo strato metallico posteriore, che completa il circuito elettrico. Sotto lo strato metallico si trova uno strato di pellicola composita che impermeabilizza e isola il modulo. I moduli fotovoltaici sono spesso dotati di un ulteriore strato protettivo posteriore realizzato in vetro, lega di alluminio o plastica.
Materiali semiconduttori
I materiali semiconduttori utilizzati nei sistemi fotovoltaici possono essere silicio, film sottili policristallini o film sottili monocristallini. I materiali a base di silicio includono silicio monocristallino, silicio policristallino e silicio amorfo. Il silicio monocristallino, grazie alla sua struttura regolare, presenta un'efficienza di conversione fotovoltaica superiore rispetto al silicio policristallino.
Nel silicio amorfo, gli atomi di silicio sono distribuiti in modo casuale, il che si traduce in una minore efficienza di conversione rispetto al silicio monocristallino. Tuttavia, il silicio amorfo può catturare un maggior numero di fotoni e la sua lega con elementi come il germanio o il carbonio può migliorarne ulteriormente questa proprietà.
Il diselenuro di rame e indio (CIS), il tellururo di cadmio (CdTe) e il silicio a film sottile sono materiali policristallini a film sottile comunemente utilizzati. Materiali ad alta efficienza come l'arseniuro di gallio (GaAs) spesso incorporano film sottili di silicio monocristallino. Questi materiali vengono selezionati per specifiche applicazioni fotovoltaiche in base a proprietà uniche come la cristallinità, l'ampiezza del band gap, le capacità di assorbimento e la facilità di lavorazione.
Fattori esterni che influenzano i semiconduttori
La disposizione atomica in una struttura cristallina determina la cristallinità dei materiali semiconduttori, che a sua volta influenza direttamente il trasporto di carica, la densità di corrente e l'efficienza di conversione energetica delle celle solari. Il band gap dei materiali semiconduttori si riferisce all'energia minima necessaria per spostare gli elettroni da uno stato legato a uno stato libero (consentendo la conduzione). Il band gap, tipicamente indicato con Eg, descrive la differenza di energia tra la banda di valenza (a bassa energia) e la banda di conduzione (ad alta energia).
Il coefficiente di assorbimento quantifica la distanza che un fotone di una particolare lunghezza d'onda può percorrere attraverso un mezzo prima di essere assorbito. È determinato dal materiale della cellula e dalla lunghezza d'onda del fotone assorbito.
Il costo e la facilità di lavorazione di vari materiali e dispositivi semiconduttori dipendono da numerosi fattori, tra cui il tipo e la quantità di materiali utilizzati, i cicli di produzione e le caratteristiche di migrazione della cella nella camera di deposizione. Ciascuno di questi fattori gioca un ruolo cruciale nel soddisfare le specifiche esigenze di generazione fotovoltaica.
