lunedì, 25 Ottobre 2021

La tecnologia delle celle fotovoltaiche: materiali, efficienza e costi di produzione

Sono il cuore dei pannelli fotovoltaici e da loro dipende la capacità di trasformare i raggi solari in energia elettrica: di cosa sono fatte le celle fotovoltaiche?

Enrica Vigliano
Enrica Vigliano, romana per adozione. Lavora nel mondo dell’arte e della comunicazione di eventi, dopo gli studi di Archeologia e di Business dei beni culturali. Adora parimenti la matematica e la grammatica, avendo una predilezione per le parole crociate e per la vita all’aperto.

Silicio, monocristallino, policristallino, i materiali impiegati dalle moderne industrie di pannelli fotovoltaici sondano tutti i campi possibili della scienza e della tecnica applicata all’energia solare.

Ma quale funziona meglio e perché? Ecco una panoramica esaustiva di quelle più diffuse e competitive.

Pannelli solari e celle fotovoltaiche

In linea generale, un pannello solare è costituito da un insieme di celle fotovoltaiche connesse tra di loro in modo da disporsi nel classico modulo di forma rettangolare.

Le celle, le vere responsabili della produzione di energia elettrica, sono realizzate in un materiale semiconduttore che varia a seconda della destinazione d’uso e del tipo di modulo solare che si vuole ottenere. Ed è proprio questo materiale a determinare efficienza, flessibilità e durata del modulo solare.

Celle fotovoltaiche di silicio monocristallino

celle fotovoltaiche silicio monocristallino

Questa tipologia di cella solare, considerata come la prima generazione di questo settore, sfrutta le capacità del silicio monocristallino, il pilastro su cui si basa l’intera industria elettronica in cui viene largamente usato per la realizzazione dei microcircuiti e dei microprocessori per pc, tablet e smart phone. Un singolo cristallo di silicio, attraverso un procedimento piuttosto laborioso, viene trasformato prima in lingotti e poi in “wafer”, usati infine nelle celle.

La struttura cristallina del silicio estremamente regolare permette la disposizione di uno o più “fogli” di questo materiale nelle celle, ordinando il flusso di elettroni che si genera con l’effetto fotovoltaico.

L’utilizzo di celle fotovoltaiche monocristalline garantisce un alto tasso di conversione dei fotoni che le colpiscono in elettricità, ma a causa dei costi molto elevati di produzione è sempre più diffuso oggi l’utilizzo di celle policristalline.

Celle fotovoltaiche di silicio policristallino

celle fotovoltaiche silicio policristallino

A differenza del monocristallino, questo tipo di materiale si ottiene dalla fusione di cristalli diversi di silicio insieme. Il processo quindi produce wafer in cui l’elemento contiene maggiore quantità di impurità e inclusi, che inficiano sul rendimento della cella fotovoltaica ostacolando o rallentando il flusso di elettroni.

Tuttavia la spesa minore in fase di realizzazione e la possibilità di sopperire alla minor efficienza affiancando un maggior quantitativo di celle, rendono il silicio policristallino uno dei materiali più usati per i pannelli fotovoltaici commerciali.

Leggi anche: Pannelli fotovoltaici al peperoncino, la ricetta innovativa che migliora la produzione

Celle fotovoltaiche di silicio amorfo idrogenato

Celle fotovoltaiche di silicio amorfo idrogenato

La seconda generazione di celle fotovoltaiche punta soprattutto alla realizzazione di celle disposte in un film molto sottile, in modo che possano essere elastiche e malleabili.

Il silicio amorfo idrogenato consente di creare celle fotovoltaiche di svariate forme e dimensioni, che possono essere alloggiate su diversi tipi di materiali, come l’acciaio inossidabile, il vetro e persino la plastica.

Anche se in termini di efficienza è inferiore, il processo di produzione di queste celle risulta essere meno costoso rispetto a quelle di prima generazione e maggiormente ecosostenibile perché non implica l’uso di materiali tossici.

Celle fotovoltaiche al tellururo di cadmio

celle fotovoltaiche al tellururo di cadmio

Considerati materiali di scarto dell’estrazione di minerali, e per questo molto economici, il tellurio e il cadmio sono stati rivalutati dall’industria fotovoltaica perché il composto che si ottiene dalla loro combinazione, il tellururo di cadmio per l’appunto, è un ottimo semi-conduttore.

La capacità di assorbimento della luce è maggiore rispetto a quella del silicio, anche in condizioni meteo non ottimali, per esempio quando per motivi atmosferici o di angolo di incidenza la luce scarseggia. Le celle al tellururo di cadmio sopportano meglio e più a lungo l’esposizione ad alte temperature e sono di più rapida realizzazione rispetto a quelle di prima generazione.

Il record di resa per una cella di questo tipo è un tasso di conversione del 20,4% e può essere realizzata anche “a film sottile”. L’unico vero limite della produzione di massa è dovuto al fatto che il cadmio è un elemento tossico e quindi necessita di specifici accorgimenti di contenimento per evitare disastri ambientali e sanitari.

Celle fotovoltaiche al seleniuro di rame, indio e gallio

Le cosiddette celle fotovoltaiche CIGS, acronimo dell’inglese copper indium gallium selenide, sfruttano l’invidiabile proprietà del composto semi conduttore di cui sono fatte. Il seleniuro di rame indo e gallio è in grado di assorbire infatti grandi quantità di radiazioni solari pur essendo estremamente sottile.

Questo permette la realizzazione di una pellicola finissima dall’elevata efficienza fotovoltaica, con il coefficiente di assorbimento più alto rispetto a tutti gli altri materiali semi conduttori usati per le celle.

Il supporto su cui viene applicato il film di CIGS solitamente è il vetro, altro fattore che incide positivamente sulla sperimentazione di questo materiale, riducendone i costi di produzione, ma può essere deposto anche su supporti più flessibili e leggeri.

Celle fotovoltaiche in perovskite

Celle solari in perovskite

La regina tra i semi conduttori in termini di tassi di conversione è sicuramente la perovskite. Attualmente le tecnologie a disposizione garantiscono che oltre un quarto dei raggi che raggiungono le celle di questo materiale siano tradotti in corrente elettrica.

La perovskite è un minerale di biossido di titanio di calcio, scoperto nel 1839 in Russia, dalla struttura cristallina molto regolare, estremamente abbondante e diffuso.

Indicata soprattutto per i pannelli solari trasparenti e per quelli flessibili, la perovkite presenta un unico inconveniente a cui gli studiosi stanno cercando di porre rimedio. Il suo processo di lavorazione in celle fotovoltaiche infatti prevede l’utilizzo di una sostanza inquinante e tossica per l’ambiente, affine al piombo.

Leggi anche: Carbon dot, il nuovo e performante look delle celle solari

Enrica Vigliano
Enrica Vigliano, romana per adozione. Lavora nel mondo dell’arte e della comunicazione di eventi, dopo gli studi di Archeologia e di Business dei beni culturali. Adora parimenti la matematica e la grammatica, avendo una predilezione per le parole crociate e per la vita all’aperto.

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