Fonte: www.energy.gov
Quando la luce colpisce una cella fotovoltaica (FV), chiamata anche cella solare, quella luce può essere riflessa, assorbita o passare attraverso la cella. La cella FV è composta da materiale semiconduttore; il "semi" significa che può condurre l'elettricità meglio di un isolante ma non così come un buon conduttore come un metallo. Esistono diversi materiali semiconduttori utilizzati nelle celle fotovoltaiche.
Quando il semiconduttore è esposto alla luce, assorbe l'energia della luce e la trasferisce a particelle cariche negativamente nel materiale chiamate elettroni. Questa energia extra consente agli elettroni di fluire attraverso il materiale come corrente elettrica. Questa corrente viene estratta attraverso contatti metallici conduttivi – le linee simili a una griglia su una cella solare – e può quindi essere utilizzata per alimentare la tua casa e il resto della rete elettrica.
L'efficienza di una cella fotovoltaica è semplicemente la quantità di energia elettrica che esce dalla cella rispetto all'energia proveniente dalla luce che la colpisce, che indica l'efficacia della cella nel convertire l'energia da una forma all'altra. La quantità di elettricità prodotta dalle celle fotovoltaiche dipende dalle caratteristiche (come intensità e lunghezze d'onda) della luce disponibile e dalle molteplici caratteristiche prestazionali della cella.
Una proprietà importante dei semiconduttori fotovoltaici è il bandgap, che indica quali lunghezze d'onda della luce il materiale può assorbire e convertire in energia elettrica. Se il bandgap del semiconduttore corrisponde alle lunghezze d'onda della luce che brilla sulla cella FV, allora quella cella può utilizzare in modo efficiente tutta l'energia disponibile.
Scopri di più di seguito sui materiali semiconduttori più comunemente usati per le celle fotovoltaiche.
SILICIO
Il silicio è di gran lunga il materiale semiconduttore più comune utilizzato nelle celle solari, che rappresenta circa il 95% dei moduli venduti oggi. È anche il secondo materiale più abbondante sulla Terra (dopo l'ossigeno) e il semiconduttore più comune utilizzato nei chip dei computer. Le celle di silicio cristallino sono costituite da atomi di silicio collegati tra loro per formare un reticolo cristallino. Questo reticolo fornisce una struttura organizzata che rende più efficiente la conversione della luce in elettricità.
Le celle solari realizzate in silicio attualmente forniscono una combinazione di alta efficienza, basso costo e lunga durata. Si prevede che i moduli dureranno per 25 anni o più, producendo ancora oltre l'80% della loro potenza originale dopo questo periodo.
FOTOVOLTAICO A FILM SOTTILE
Una cella solare a film sottile viene realizzata depositando uno o più strati sottili di materiale fotovoltaico su un materiale di supporto come vetro, plastica o metallo. Ci sono due tipi principali di semiconduttori fotovoltaici a film sottile oggi sul mercato: tellururo di cadmio (CdTe) e diseleniuro di gallio indio e rame (CIGS). Entrambi i materiali possono essere depositati direttamente sulla parte anteriore o posteriore della superficie del modulo.
Il CdTe è il secondo materiale FV più comune dopo il silicio e le celle CdTe possono essere realizzate utilizzando processi di produzione a basso costo. Anche se questo li rende un'alternativa conveniente, le loro efficienze non sono ancora'alte come quelle del silicio. Le celle CIGS hanno proprietà ottimali per un materiale fotovoltaico e alte efficienze in laboratorio, ma la complessità implicata nella combinazione di quattro elementi rende più impegnativo il passaggio dal laboratorio alla produzione. Sia CdTe che CIGS richiedono una protezione maggiore rispetto al silicio per consentire un funzionamento duraturo all'aperto.
FOTOVOLTAICO PEROVSKITE
Le celle perovskitesolar sono un tipo di cella a film sottile e prendono il nome dalla loro caratteristica struttura cristallina. Le celle di perovskite sono costruite con strati di materiali che vengono stampati, rivestiti o depositati sotto vuoto su uno strato di supporto sottostante, noto comesubstrato.Sono in genere facili da assemblare e possono raggiungere efficienze simili al silicio cristallino. In laboratorio, le efficienze delle celle solari in perovskite sono migliorate più velocemente di qualsiasi altro materiale fotovoltaico, dal 3% nel 2009 a oltre il 25% nel 2020. Per essere commercialmente redditizie, le celle fotovoltaiche in perovskite devono diventare abbastanza stabili da sopravvivere 20 anni all'aperto, quindi i ricercatori stanno lavorando per renderli più durevoli e sviluppando tecniche di produzione su larga scala ea basso costo.
FOTOVOLTAICO BIOLOGICO
Le celle FV organiche, o OPV, sono composte da composti (organici) ricchi di carbonio e possono essere adattate per migliorare una funzione specifica della cella FV, come bandgap, trasparenza o colore. Le celle OPV sono attualmente solo circa la metà dell'efficienza delle celle in silicio cristallino e hanno una durata operativa più breve, ma potrebbero essere meno costose da produrre in volumi elevati. Possono anche essere applicati a una varietà di materiali di supporto, come la plastica flessibile, rendendo OPV in grado di servire un'ampia varietà di usi.
PUNTI QUANTICI
Le celle solari a punti quantici conducono elettricità attraverso minuscole particelle di diversi materiali semiconduttori larghi pochi nanometri, chiamati punti quantici. I punti quantici forniscono un nuovo modo di elaborare i materiali semiconduttori, ma è difficile creare una connessione elettrica tra loro, quindi attualmente non sono molto efficienti. Tuttavia, sono facili da trasformare in celle solari. Possono essere depositati su un substrato utilizzando un metodo spin-coat, uno spray o stampanti roll-to-roll come quelle utilizzate per stampare i giornali.
I punti quantici sono disponibili in varie dimensioni e il loro bandgap è personalizzabile, consentendo loro di raccogliere la luce difficile da catturare e di essere accoppiati con altri semiconduttori, come le perovskiti, per ottimizzare le prestazioni di una cella solare multigiunzione (più su quelli sotto).
FOTOVOLTAICO MULTIGIUNZIONE
Un'altra strategia per migliorare l'efficienza delle celle fotovoltaiche è la stratificazione di più semiconduttori per realizzare celle solari multigiunzione. Queste celle sono essenzialmente pile di diversi materiali semiconduttori, al contrario delle celle a giunzione singola, che hanno un solo semiconduttore. Ogni strato ha una banda proibita diversa, quindi ognuno assorbe una parte diversa dello spettro solare, facendo un uso maggiore della luce solare rispetto alle celle a giunzione singola. Le celle solari multigiunzione possono raggiungere livelli di efficienza record perché la luce che non viene assorbita dal primo strato di semiconduttore viene catturata da uno strato sottostante.
Mentre tutte le celle solari con più di una banda proibita sono celle solari multigiunzione, una cella solare con esattamente due bande proibite è chiamata cella solare tandem. Le celle solari multigiunzione che combinano i semiconduttori delle colonne III e V nella tavola periodica sono chiamate celle solari multigiunzione III-V.
Le celle solari multigiunzione hanno dimostrato un'efficienza superiore al 45%, ma sono costose e difficili da produrre, quindi sono riservate all'esplorazione dello spazio. L'esercito sta usando celle solari III-V nei droni e i ricercatori stanno esplorando altri usi per loro dove l'alta efficienza è fondamentale.
FOTOVOLTAICO A CONCENTRAZIONE
Il fotovoltaico a concentrazione, noto anche come CPV, concentra la luce solare su una cella solare utilizzando uno specchio o una lente. Focalizzando la luce solare su una piccola area, è necessario meno materiale FV. I materiali fotovoltaici diventano più efficienti man mano che la luce diventa più concentrata, quindi le efficienze complessive più elevate si ottengono con celle e moduli CPV. Tuttavia, sono necessari materiali più costosi, tecniche di produzione e capacità di tracciare il movimento del sole, quindi dimostrare il vantaggio di costo necessario rispetto ai moduli in silicio ad alto volume di oggi'è diventato difficile.
