La tecnologia fotovoltaica per la produzione di elettricità

Nata all'inizio degli anni '50, la tecnologia fotovoltaica ha avuto il suo successo industriale in Giappone e poi negli Stati Uniti, negli anni '80, con la produzione di celle a base di silicio cristallino ad alta efficienza impiegate in dispositivi di uso commerciale come calcolatrici ed orologi a celle solari. Da allora, la loro produzione su larga scala e la riduzione dei costi dei pannelli fotovoltaici sono passati attraverso lo sviluppo tecnologico dei materiali, nonché quello della produzione di celle e moduli fotovoltaici sempre piu' efficienti. Le celle fotovoltaiche si distinguono principalmente per la natura dei materiali semiconduttori utilizzati, la cui scelta è dettata prima da principi fisici ed in particolare dall'adattamento dell'ampiezza della banda allo spettro solare . Ma la scelta è in gran parte dettata anche da considerazioni pratiche: disponibilità del materiale, capacità di produrlo con la qualità cristallina e la purezza richieste ad un costo accettabile, possibilità di realizzare una semplice giunzione, possibilità di realizzare contatti ohmici bassi, resistenza. Il silicio cristallino si è rapidamente affermato come prima scelta per diversi motivi:

  • è l'unico semiconduttore formato da un solo atomo ad avere una opportuna banda di ricezione solare;
  • è un materiale abbondante sulla Terra;
  • si ha una grande esperienza industriale sulla produzione in microelettronica.

Come contropartita a questi vantaggi, il silicio presenta un grave inconveniente: fotoni infrarossi scarsamente assorbenti (siamo arrivati ad un 20-22 % di assorbimento solare sui moduli fotovoltaici ad alta efficienza), è necessario utilizzare spessori piuttosto grandi (più di 70 mm) per non perdere troppo in efficienza di conversione, ciò richiede un superamento della qualità e non va nella direzione della minimizzazione dei costi . Un'altra conseguenza di questo elevato spessore è la relativa complessità di implementazione con l'affettatura di grandi cristalli, la fabbricazione di celle su queste singole fette e infine l'assemblaggio di queste celle per collegarle insieme in moduli. Questi inconvenienti hanno portato allo sviluppo di altri materiali, essenzialmente semiconduttori composti che possono essere utilizzati in strati molto sottili. Sono spesso depositati su un substrato di vetro. Gli spessori variano a seconda del materiale, da poche centinaia di nm a pochi mm. Questi strati sono quindi strutturati per isolare e collegare le celle in serie, ma rimanendo alla scala dell'intera lastra di vetro. Tre materiali sono usati commercialmente e condividono le quote di mercato lasciate dal silicio:

  • tellururo di cadmio (CdTe)
  • calcopiriti come Cu (In, Ga) Se 2 chiamato CIGS e silicio amorfo idrogenato.

Quest'ultimo, pur essendo costituito da silicio, non può essere usato in uno strato molto sottile (400 nm). Un'ultima famiglia emergente è quella dei materiali organici. In alcuni materiali organici chiamati Pi coniugati, è anche possibile avere livelli elettronici tali che sia possibile indurre transizioni di elettroni da una banda all'altra e ottenere così una conduzione elettronica indotta dalla foto-generazione. Questi materiali hanno due qualità essenziali: la capacità di assorbire lo spettro solare con spessori molto bassi e la possibilità di essere implementati con tecniche di stampa molto economiche. Una nuova famiglia di celle fotovoltaiche è stata sviluppata per applicazioni specifiche come l'alimentazione di satelliti o sistemi terrestri ad alta concentrazione. Queste applicazioni richiedono celle ad altissima efficienza, ma il cui costo per unità di superficie può essere elevato. Si tratta di celle multigiunzione basate sui cosiddetti semiconduttori III-V. Gli strati monocristallini attivi utilizzati, in cui è realizzata ciascuna giunzione, sono “etero epitassiali” su un substrato. L'epitassia consiste nel depositare uno strato avendo cura di duplicare la disposizione cristallina del substrato. Si parla di eteroepitassia quando la composizione chimica dello strato è diversa da quella del substrato. Questo settore dei materiali epitassiali III-V è anche quello utilizzato per la fabbricazione dei diodi emettitori di luce, per quella dei diodi LASER e per quella di numerosi dispositivi a microonde. Esiste quindi una forte sinergia tra queste diverse industrie. L'efficienza ottenuta da queste celle multigiunzione è molto elevata. È tipicamente dell'ordine del 40-45 % (i moduli fotovoltaici usati sui tetti delle nostre casearrivano al 20%). Queste efficienze sono inferiori senza concentrazione, quest'ultima ha l'effetto di aumentare la tensione a circuito aperto e quindi la tensione nel punto di massima efficienza. Queste celle ad alta efficienza e molto sofisticate, tenuto conto del loro costo e delle loro caratteristiche, sono disponibili in due tipologie di applicazioni.

  • Industria spaziale. Le celle sono assemblate in moduli specifici che vengono utilizzati per fornire energia ai satelliti. Il costo della massa messa in orbita qui è tale che il vantaggio dell'elevata efficienza di conversione supera di gran lunga il costo delle celle. Inoltre, le celle III-V sono molto meno sensibili alle radiazioni ionizzanti rispetto ad altre celle e sono quindi più affidabili nel tempo.
  • Sistemi fotovoltaici terrestri ad alta concentrazione : Ogni cella viene messa a fuoco con un'ottica di concentrazione, quindi i moduli così ottenuti e riunendo un insieme di coppie ottica-cella vengono quindi montati su un inseguitore solare di alta precisione. Qualsiasi disallineamento provocherà sfocatura e perdita di efficienza.
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