Le celle reali

In questa seconda puntata parleremo delle celle solari costruite tramite le tecnologie realmente disponibili in questo periodo, incentrando l'argomentazione attorno alle perdite di rendimento che differenziano una cella reale da quella ideale

Rendimento di una cella reale

Una cella reale, prodotta con le tecnologie attuali è penalizzata sul fronte del rendimento rispetto a quella ideale da numerosi fattori, si hanno infatti perdite a causa di:

• Riflessione
• Ricombinazione
• Effetto joule

Le perdite di rendimento per riflessione sono causate dal fatto che la cella solare non essendo un corpo nero, restituisce parte della radiazione incidente all’atmosfera senza che abbia formato portatori di carica. Nel linguaggio tecnico odierno è di uso comune chiamare “external quantum efficiency” la funzione prodotto tra la “internal quantum efficiency”, cioè il rendimento quantico della cella ideale e il coefficiente di riflessione della cella reale. In questo modo viene definita un’unica funzione che al variare della lunghezza d’onda fornisce il valore reale di efficienza quantica. L’andamento qualitativo delle 3 grandezze principali caratterizzanti una cella solare è espresso dal grafico in figura 3 ( Fonte: Wikipedia)

External ed Internal Quantum Efficiency

La ricombinazione è quel processo che avviene quando gli elettroni invece di scorrere nel circuito esterno collegato alla cella si neutralizzano con le lacune direttamente sulla faccia “p” della giunzione. Le perdite per effetto joule invece sono dovute alla resistenza elettrica che incontrano le cariche nel tragitto dall’atomo di formazione al collettore metallico. Per ovviare a questo inconveniente le celle odierne a contatto frontale sono ricoperte sul lato inferiore da una lamina metallica e sul lato esposto al sole da una griglia di conduttori in modo da minimizzare il tragitto delle cariche e di conseguenza le perdite per effetto joule. Al netto delle perdite, i prodotti commerciali odierni hanno efficienze dell’ordine del:

• Celle al silicio monocristallino (c-Si) - 12÷15%
• Celle al silicio policristallino (poly-Si) che - 11-13%
• Celle al silicio amorfo (a-Si) - 6-9%

Sono nella fase ultima del loro sviluppo inoltre le celle dette a film sottile (“Thin Film”) costituite da semiconduttori vari e caratterizzate da una notevole flessibilità di impiego ed economia di produzione ma nel contempo capaci di rendimenti che arrivano al 40%.

Celle al silicio cristallino

Per applicazioni di grandi dimensioni la tecnologia più utilizzata è quella del silicio cristallino. Poiché gli elettroni non migrano da un cristallo all’altro l’efficienza di una cella solare è influenzata dalla dimensione stessa dei cristalli. Il massimo rendimento è raggiunto dalle celle in silicio monocristallino, cioè costituite da una superficie in cui il reticolo cristallino è continuo. Per ottenere un materiale di tale purezza si utilizza industrialmente il processo Czochralski che consiste nel produrre un lingotto monocristallino a sezione cilindrica a partire da un fuso in silicio tramite un seme (seed) monocristallino che viene fatto entrare a contatto con il fluido ed estratto ad una velocità variabile con le specifiche del processo ma dell’ordine dei millimetri al minuto e contemporaneamente fatto ruotare. Il solido ottenuto ha caratteristiche di purezza elevatissime ed è costituito da un singolo cristallo di orientamento concorde con quello del seme utilizzato per la solidificazione.

Metodo Czochralski (Fonte: Wikipedia)

Le performance di una cella monocristallina nelle condizioni standard di irraggiamento sono tuttora ineguagliate da prodotti commerciali di altre tecnologie. Il rovescio della medaglia è costituito dal costo di fabbricazione e dalla bassa resa produttiva dettata dall’avanzamento millimetrico del processo di solidificazione. Adottando procedimenti tipici della metallurgia pesante, come ad esempio la colata in lingottiera è possibile ottenere un solido cristallino formato da grani di grandi dimensioni orientati casualmente. Le celle ottenute con questo procedimento sono dette in silicio policristallino e possono vantare un rendimento di poco inferiore alle più complesse monocristalline ed un comportamento simile a queste al variare dell’irraggiamento e della temperatura. Le celle solari in silicio cristallino vengono utilizzate preferenzialmente nelle situazioni in cui:

• La superficie irraggiata è limitata
• L’affidabilità e la produttività dell’installazione sono preponderanti sui costi fissi dell’investimento iniziale
• Ci sono ricorrenti problemi di parziale ombreggiamento

Celle al silicio amorfo

Rinunciando ad una struttura cristallina (continua o meno) si può depositare il silicio su di un substrato in materiale povero (vetro, plastiche, etc ) tramite metodi industriali altamente automatizzabili e di facile applicazione come la sublimazione. L’area della singola cella non è più limitata alla sezione del lingotto di silicio e di conseguenza si possono ottenere pannelli di fattura più semplice ed economica. Il rovescio della medaglia sta nel rendimento di conversione che si attesta circa il 6-9% e decresce anche del 20% nelle prime 300-400 ore di esposizione alla luce solare per via dell’effetto Staebler-Wronski. Di conseguenza questa tecnologia viene utilizzata principalmente dove:

• C’è abbondanza di superficie esposta al sole
• Il costo di impianto è fattore determinante
• La potenza di picco richiesta è talmente bassa da non giustificare la complessità di una cella cristallina
• La superficie irraggiata non è piana

La possibilità di stendere il materiale fotorecettore a bassa temperatura su un substrato qualunque è uno dei cavalli di battaglia della tecnologia del silicio amorfo, che consente la produzione a prezzi relativamente economici di pannelli curvi o flessibili

Altre tecnologie a film sottile

La ricerca di rendimenti di conversione sempre maggiori unitamente a costi di produzione inferiori ha fatto da traino all’intera industria fotovoltaica negli ultimi 30 anni. A partire dalla tecnica del silicio amorfo si sono sviluppate decine di altre combinazioni di semiconduttori con caratteristiche peculiari. Tra le più note si possono elencare:

• Tellurio di cadmio CdTe ( Eg=1,49 ev)
• Solfito di Cadmio CdS (Eg=2.42 ev )
• Arseniuro di Gallio GaAs ( Eg=1,43 ev)
• Rame Indio Gallio Selenio ( Eg=1-1,7 ev)

Combinando sullo stesso supporto più layer di materiale semiconduttore con Eg diversi è possibile produrre celle solari che assorbano su tutto lo spettro dall’infrarosso all’ultravioletto.