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XXVIII International Horticultural Congress, Lisbon, Portugal, august 22-27, 2010

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La cella fotovoltaica

La cella fotovoltaica Si intende per cella fotovoltaica l’unità di base di un modulo fotovoltaico. Il modulo fotovoltaico è un apparato che converte direttamente l’energia del sole in energia elettrica per effetto fotovoltaico.

Cella fotovoltaica

Una radiazione elettromagnetica che incide su di un materiale può in talune condizioni, fornendo energia, allontanare un elettrone più esterno degli atomi del materiale creando così quella che viene normalmente detta una lacuna. Se l'energia fornita dalla radiazione è sufficiente (superiore all'energia della banda proibita dell'atomo) può far passare l'elettrone dalla banda di valenza a quella di conduzione. Questo fenomeno come detto è alla base del funzionamento delle celle fotovoltaiche. Queste sono normalmente costituite da materiale semiconduttore in quanto i materiali isolanti hanno una energia di banda proibita troppo elevata(da non potere essere eguagliata dall'energia del fotone incidente), mentre i materiali conduttori hanno energia di banda proibita troppo bassa per cui a temperatura ambiente si creano e distruggono in continuazione coppie elettroni lacune. Se come detto utilizziamo materiale semiconduttore (tipicamente Silicio) per effetto della radiazione incidente un certo numero di elettroni passa nella banda di conduzione determinando nella banda di valenza un egual numero di lacune. Drogando il semiconduttore (inserendo nel reticolo cristallino atomi del terzo gruppo e del quinto gruppo quindi lacune ed eccesso di elettroni) si ottiene a cavallo della superficie di giunzione la formazione di un campo elettrico. Illuminando la giunzione con una radiazione elettromagnetica si ottengono ancora elettroni e lacune che per effetto del campo elettrico a cavallo della giunzione si sposteranno in opposte direzioni. Se si connette la giunzione con un conduttore esterno si chiude il circuito e fino a che la giunzione è illuminata si avrà passaggio di corrente. La dimensione di una cella fotovoltaica è 10x10 cm. Il rendimento di una cella fotovoltaica è dato dal rapporto l'energia prodotta dalla cella e l'energia solare che incide su di essa tipicamente i prodotti in commercio sono su valori peri al 15%.

Efficienza delle celle fotovoltaiche
L'efficienza di una cella fotovoltaica è un numero adimensionale dato dal rapporto tra potenza elettrica prodotta e raccolta in uscita e potenza trasportata dalla radiazione solare incidente. L'efficienza delle celle fotovoltaiche varia sensibilmente al variare del materiale che costituisce le celle stesse.
Questa definizione di efficienza, per essere paragonabile, va calcolata in particolari condizioni che vengono denominate STC (Standard Test Condition) che possono così riassumersi:

- Intensità della radiazione pari a 1000 W/mq che corrisponde alla insolazione media di una giornata col cielo privo di nubi.
- Temperatura della cella solare pari a 25°C.
- Spettro solare con composizione analoga a quella che assumerebbe se la radiazione avesse percorso una massa atmosferica pari ad una volta e mezzo quella terrestre.

Il motivo di tutto questo è che il funzionamento della giunzione che è alla base della cella è fortemente influenzato dalla temperatura della giunzione stessa e dallo spettro della radiazione incidente.
Altro parametro che influenza detto funzionamento come già accennato all'inizio e come è lecito attendersi è il materiale di cui è costituita la giunzione stessa.
Valori tipici di efficienza sono:
- 8% per celle di silicio amorfo,
- 13,5/15% per celle al silicio "ribbon",
- 15/16% per celle a silicio policristallino,
- 16/17% per celle a wafer di silicio monocristallino.
Va notato in maniera esplicita che vi sono celle la cui efficienza raggiunge e supera il 40% ma hanno costi proibitivi e sono costruite con materiali fortemente inquinanti.
Questo tipo di celle vengono comunemente utilizzate nella tecnologia spaziale e dei satelliti dove si ha la necessità inderogabile di ridurre il peso.
Una cella ad elevata efficienza a parità, di potenza fornita, si traduce in minor superficie del relativo modulo fotovoltaico e quindi in minor peso.
Per aumentare l'efficienza della cella fotovoltaica si può intervenire su due fattori: far si che la cella concentri maggiormente la luce solare incidente, strutturare la cella in maniera che utilizzi l'intero spettro della radiazione incidente.
Per concentrare la radiazione incidente si da allo strato superficiale della cella una struttura piramidale. Questa particolare forma diffonde, diffrange e quindi concentra la radiazione incidente.
Per utilizzare l'intero spettro della radiazione si ricorre a giunzioni multiple sovrapposte ognuna con un diverso valore della banda proibita e quindi sensibile ad un determinato range di frequenza.
Modulando opportunamente i valori della banda proibita si riesce a sfruttare l'intero spettro solare dal visibile all'infrarosso.
Si comprende ovviamente come tali accorgimenti complichino enormemente le soluzioni tecnologiche per la realizzazione delle celle facendo lievitare vertiginosamente i costi.