Cella fotovoltaica: guida completa 2024

La cella fotovoltaica – detta anche cella solare – è il componente principale di un pannello fotovoltaico il cui compito è convertire l’energia solare in energia elettrica sfruttando l’effetto fotovoltaico.

Dunque un impianto fotovoltaico è formato da una serie di pannelli solari che a loro volta contengono una serie di celle fotovoltaiche le cui caratteristiche elettriche variano in base alla loro esposizione alla luce solare.

In questo guida analizzeremo la caratteristica di una cella fotovoltaica per comprenderne bene il suo funzionamento. Dopodiché elencheremo anche quali tipologie di celle solari sono oggi disponibili sul mercato.

Caratteristica cella fotovoltaica

Le celle fotovoltaiche più comunemente utilizzate, presentano tipicamente una forma quadrata con dimensioni di circa 12.5 cm per lato e uno spessore variabile compreso tra 0.25 e 0.35 mm.

La variante più diffusa di cella solare è quella costituita da materiale cristallino, principalmente silicio. Tuttavia, l’evoluzione tecnologica ha portato all’introduzione di nuovi materiali come il diseleniuro di rame, l’indio e il tellururo di cadmio, utilizzati nei sistemi a film sottile.

Il silicio possiede una caratteristica fondamentale: richiede un quantitativo minimo di energia per mettere in movimento gli elettroni nella banda di valenza, consentendo così la generazione di corrente elettrica.

Questo fenomeno viene sfruttato attraverso il processo di drogaggio, in cui vengono introdotte impurità, come il boro (carica negativa) e il fosforo (carica positiva), all’interno del semiconduttore.

Il drogaggio crea una zona di giunzione all’interno della cella solare, che funge da barriera, richiedendo una differenza di potenziale per il passaggio degli elettroni. In altre parole, si crea un diodo all’interno della cella fotovoltaica.

Dunque le cellule fotoelettriche sono costituite da due strati, noti come strato N (carica negativa) e strato P (carica positiva), con una zona di giunzione tra di essi.

Grazie all’impiego di superfici anti-riflettenti, le celle fotovoltaiche sono in grado di massimizzare l’assorbimento della luce solare, consentendo così l’efficace conversione dell’energia solare in energia elettrica.

Cella fotovoltaica funzionamento

Vediamo adesso come funziona una cella fotovoltaica. Abbiamo detto che una cella solare è un dispositivo progettato per sfruttare l’effetto fotovoltaico per generare corrente elettrica a partire dall’energia solare incidente.

Questo fenomeno fisico si basa sulla capacità di determinati materiali, come il silicio, di generare una corrente elettrica quando vengono colpiti dai fotoni della luce solare.

Nel funzionamento di una cella fotovoltaica, i fotoni provenienti dalla luce solare colpiscono il materiale semiconduttore all’interno della cella, eccitando gli elettroni nella banda di valenza e consentendo loro di muoversi verso la banda di conduzione.

Questo movimento di elettroni genera una corrente elettrica che può essere catturata e utilizzata per alimentare dispositivi elettrici o immagazzinata in batterie per un uso futuro.

Tipi di celle fotovoltaiche

Ogni tipo di cella fotovoltaica ha le proprie caratteristiche e vantaggi, e la scelta dipende dalle esigenze specifiche di un’applicazione e dalle considerazioni ambientali.

Di seguito elenchiamo i tipi di celle fotovoltaiche più utilizzati per la realizzazione di impianti fotovoltaici commerciali con annessa descrizione:

1. Celle fotovoltaiche in silicio monocristallino: sono celle solari composte da cristalli di silicio monocristallino, riconoscibili per il loro colore blu scuro o nero, e presentano bordi smussati e orientamento uniforme. Offrono un’efficienza energetica compresa tra il 18% e il 21% quando esposti alla luce solare perpendicolare.
2. Celle fotovoltaiche in silicio policristallino: sono celle solari costituite da cristalli di silicio con orientamenti diversi. I pannelli solari fotovoltaici realizzati con queste celle hanno un’efficienza leggermente inferiore rispetto alle precedenti, ma sono in grado di sfruttare meglio la luce solare durante l’intera giornata.
3. Celle fotovoltaiche in silicio amorfo idrogenato: appartengono alla categoria dei dispositivi di seconda generazione ed i pannelli fotovoltaici realizzati con questo materiale offrono prestazioni superiori e un minore decadimento nel tempo, garantendo un’efficienza energetica elevata.
4. Celle fotovoltaiche in tellururo di cadmio: Il tellururo di cadmio è un semiconduttore di alta qualità per la produzione di pannelli fotovoltaici. Queste celle fotovoltaiche hanno una maggiore capacità di assorbire la luce solare e resistono bene alle temperature elevate. Tuttavia, è importante notare che il tellururo di cadmio è una sostanza tossica e richiede una gestione adeguata.
5. Celle fotovoltaiche in seleniuro di rame, indio e gallio: sono celle fotovoltaiche che rappresentano uno dei risultati più avanzati nella ricerca dell’energia solare e vengono spesso adoperate nei pannelli fotovoltaici di ultima generazione. Il materiale utilizzato ha un coefficiente di assorbimento molto elevato tra i semiconduttori utilizzati per le celle solari, consentendo un’efficienza superiore al 21% nei pannelli fotovoltaici realizzati con questo tipo di celle.
6. Celle fotovoltaiche in perovskite: la perovskite è un minerale a base di biossido di titanato di calcio con una struttura cristallina altamente regolare. Le celle solari basate su perovskite hanno attratto l’attenzione grazie ai costi di produzione contenuti e all’efficienza elevata. Tuttavia, è importante notare che la lavorazione delle celle fotovoltaiche in perovskite richiede l’uso di piombo, una sostanza inquinante.

La continua ricerca e lo sviluppo tecnologico stanno contribuendo a migliorare ulteriormente l’efficienza e la sostenibilità delle celle fotovoltaiche. Di seguito elenchiamo quelle che sono le tipologie di celle fotovoltaiche ancora in fase di sperimentazione:

• Celle fotovoltaiche tandem: questa tecnologia rappresenta una combinazione di celle fotovoltaiche diverse con straordinarie potenzialità e che hanno dimostrato la capacità di raggiungere un’efficienza impressionante del 28,7%, la più alta mai registrata in questa categoria.
• Celle fotovoltaiche anti solari: una tecnologia innovativa sviluppata per generare energia elettrica anche durante la notte. Questo approccio si basa sull’integrazione di un generatore termoelettrico basato sul principio del raffrescamento radiativo, il quale consente a un corpo di rilasciare calore nello spazio profondo sotto forma di luce infrarossa.
• Celle fotovoltaiche organiche-perovskite: questa tipologia di celle fotovoltaiche sfrutta contemporaneamente le diverse capacità di assorbire le lunghezze d’onda ultraviolette e visibili della luce mediante semiconduttori a base di carbonio e le lunghezze d’onda nel vicino infrarosso con le perovskiti. Queste celle organiche hanno dimostrato un’efficienza del 24%.
• Celle fotovoltaiche termofotovoltaiche: sono celle solari in grado di catturare il calore e convertirlo in elettricità con efficienze di conversione che si avvicinano al 40%.
• Celle fotovoltaiche-piezoelettriche: sono celle fotovoltaiche a film sottile che utilizzano materiali semiconduttori piezoelettrici i quali generano energia elettrica in risposta a sollecitazioni meccaniche, migliorando le prestazioni di dispositivi optolettronici come le celle solari.
• Celle fotovoltaiche flessibili: realizzate in seleniuro di indio rame gallio (CIGS), si distinguono per un’efficienza luminosa di conversione pari al 22%. Queste celle, resistenti e versatili, sono particolarmente adatte per applicazioni su edifici, veicoli, satelliti e dispositivi portatili.

Queste tecnologie rappresentano importanti avanzamenti nel campo delle celle fotovoltaiche e promettono di contribuire significativamente allo sviluppo dell’energia solare.

Che potenza genera la cella fotovoltaica?

L’efficienza e le prestazioni delle celle fotovoltaiche sono influenzate da vari fattori ambientali, tra cui la temperatura e la radiazione solare incidente.

È fondamentale comprendere come queste variabili possano impattare sul rendimento dei pannelli fotovoltaici al fine di progettare sistemi solari efficaci. Di seguito, riportiamo alcune considerazioni importanti:

• Influenza della temperatura: le celle fotovoltaiche tendono a subire un calo di tensione quando la temperatura aumenta oltre un certo limite. Questo è noto come coefficiente di temperatura del pannello solare.
  
  Temperature elevate possono compromettere l’efficienza dei legami interni nei materiali delle celle, riducendo la loro capacità di generare corrente. Pertanto, in climi caldi, è fondamentale considerare sistemi di raffreddamento o di dissipazione del calore per mantenere le temperature delle celle sotto controllo e ottimizzare il rendimento.
• Variazione della radiazione solare: la quantità di energia solare incidente varia durante il giorno, a seconda delle condizioni meteorologiche e dell’angolo del sole. Queste variazioni influiscono direttamente sull’intensità elettrica prodotta dalle celle fotovoltaiche.
  
  In condizioni di luce solare diffusa o bassa intensità luminosa, l’intensità elettrica può diminuire significativamente, causando una schiacciatura della curva di produzione. Tuttavia, la tensione di uscita delle celle solari tende a rimanere relativamente costante.

Per questi ed altri motivi è essenziale condurre un’analisi completa del contesto climatico specifico prima di installare un impianto fotovoltaico. Questo può includere l’acquisizione di dati climatici da atlanti solari o da misurazioni sul campo mediante l’utilizzo di software fotovoltaici dedicati.

Dunque se sei residente in Sicilia e stai pensando di installare un impianto fotovoltaico, contattaci per un preventivo gratuito. Concorderemo insieme a te una data per un sopralluogo gratuito e senza impegno per effettuare le misurazioni necessarie e fornirti un preventivo dettagliato su misura.