Tecnologia FOTOVOLTAICA consente di trasformare direttamente la luce solare in energia elettrica

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Silvana Grossi
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1 Tecnologia FOTOVOLTAICA consente di trasformare direttamente la luce solare in energia elettrica. L'efficienza di conversione per celle commerciali al silicio è in genere compresa tra il 13 % e il 17%

2 Approfondimenti: EFFETTO FOTOVOLTAICO: interazione della radiazione luminosa con gli elettroni di valenza nei materiali semiconduttori. -Cella Fotovoltaica di silicio cristallino: 14 elettroni di cui 4 elettroni di valenza Fornendo energia all elettrone Banda di valenza banda di conduzione Se un flusso luminoso investe il reticolo cristallino del silicio si liberano un certo numero di elettroni e un egual numero di lacune - se, nella ricombinazione, un elettrone occupa una lacuna, cede sotto forma di calore l energia assorbita. Per creare un moto coerente e ordinato di elettroni (e di lacune) ossia una corrente elettrica, occorre creare un campo elettrico all interno della cella. Lacuna Elettroni condivisi tra atomi vicini Atomo di Boro B Lacuna P Atomo di Fosforo Elettrone libero Particolari trattamenti chimici e fisici del silicio, denominati drogaggio, sono in grado di creare un eccesso di atomi carichi positivamente o un eccesso di atomi carichi negativamente. Il processo consiste nell inserire nel silicio impurità di altri elementi chimici ( del 3 e 5 gruppo del sistema periodico degli elementi, come boro e fosforo) in modo da creare due strutture: - una con un numero di elettroni insufficiente quindi con carica positiva (tipo p) - una con un numero di elettroni eccessivo quindi con carica negativa (tipo n)

3 L effetto fotovoltaico Giunzione p-n semiconduttore tipo n semiconduttore tipo p In entrambi i casi il materiale risulta elettricamente neutro; tuttavia, ponendo a contatto i due tipi di strutture, tra i due strati si attiva un flusso elettronico dalla zona n alla zona p che, raggiunto il punto di equilibrio elettrostatico, determina un eccesso di carica positiva nella zona n, dovuto agli atomi di fosforo con un elettrone in meno, e un eccesso di carica negativa nella zona p, dovuto agli elettroni migrati dalla zona n. In sintesi la conversione da luce a energia elettrica effettuata dalla cella fotovoltaica avviene essenzialmente perché questi portatori di carica liberi (elettroni e lacune), generati dalla luce, sono spinti in direzioni opposte dal campo elettrico interno creato attraverso la giunzione di due semiconduttori drogati in modo diverso. Una volta attraversato il campo, le cariche non tornano più indietro, perché il campo impedisce loro di invertire la marcia. Le cariche positive (lacune) sono spinte verso un lato della cella e le cariche negative (elettroni) verso l'altro. Se le due facce (inferiore e superiore della cella) sono collegate mediante un conduttore, le cariche libere lo attraversano e si osserva una corrente elettrica. Fino a quando la cella resta esposta alla luce, l'elettricità fluisce sotto forma di corrente continua fotoni Giunzione p-n semiconduttore tipo n semiconduttore tipo p carico Lo spessore dello strato n deve essere, per il silicio, di 0,5 mm. Lo spessore totale della cella non deve superare i 250 mm. Solo una parte della radiazione incidente viene convertita in energia elettrica, per realizzazioni commerciali 13 % - 17 %, in laboratorio il 32,5%

4 Come è fatto un pannello fotovoltaico?

5 Il pannello vero e proprio è formato dalle celle Il pannello è protetto su entrambi i lati con un foglio di EVA (Ethylene Vinyl Acetate) Quindi sul lato superiore è presente un vetro temprato e sul lato inferiore foglio opaco (backfilm)

6 Infine sul retro una centralina con i connettori

Per ottenere il quarzo dalla sabbia, e quindi ricavarne il silicio puro che è la materia prima per la produzione delle celle fotovoltaiche, è necessario un complesso processo di lavorazione che

7 Per ottenere il quarzo dalla sabbia, e quindi ricavarne il silicio puro che è la materia prima per la produzione delle celle fotovoltaiche, è necessario un complesso processo di lavorazione che divora molta energia. Non a caso molti impianti produttivi si trovano in Paesi dove la corrente ha un costo ridotto. In un forno ad arco e a temperature intorno ai C tramite deg li elettrodi di carbonio, dal quarzo si ottiene il cosiddetto silicio di grado metallurgico.

I produttori di celle fotovoltaiche tagliano con delle seghe a filo i blocchi di silicio detti lingotti in fette sottilissime dette wafer (termine inglese per «fetta»).

8 I produttori di celle fotovoltaiche tagliano con delle seghe a filo i blocchi di silicio detti lingotti in fette sottilissime dette wafer (termine inglese per «fetta»). Questi wafer, che poi diventeranno delle celle fotovoltaiche hanno uno spessore massimo di 300 micrometri, alcuni produttori sono già scesi sotto ai 200 micrometri. Nonostante l estrema precisione, quasi la metà del lingotto si perde sotto forma di residui. Il wafer deve essere «drogato». Solo in seguito all aggiunta di atomi di fosforo da un lato e di atomi di boro dall altro, la semplice fetta di silicio diventa una cella fotovoltaica a tutti gli effetti. Anche il colore blu viene aggiunto successivamente: i wafer inizialmente sono grigi, ma poi vengono dotati di un rivestimento antiriflesso in ossido di titanio o in nitruro di silicio, perché altrimenti circa un terzo della radiazione solare sarebbe riflessa. Per poter raccogliere la produzione di elettricità così ottimizzata devono essere inserite delle connessioni su entrambi i lati della cella. Sulla faccia esposta al sole, il polo negativo, i contatti devono essere di dimensioni ridottissime e di solito sono in argento, applicato per serigrafia in strati e a strisce sottilissimi. Sul lato posteriore si utilizza invece una miscela tra alluminio e argento, perché l alluminio è molto più economico e inoltre compensa la carica negativa del fosforo. Ma, poiché non si adatta a essere saldato, si aggiunge anche dell argento

Non è possibile tagliare i wafer in modo assolutamente omogeneo, nel drogaggio vi possono essere delle piccole differenze e anche il rivestimento antiriflesso può determinare dei margini di

9 Non è possibile tagliare i wafer in modo assolutamente omogeneo, nel drogaggio vi possono essere delle piccole differenze e anche il rivestimento antiriflesso può determinare dei margini di divergenza. Le celle fotovoltaiche sono quindi suddivise in classi diverse in base alla potenza nominale Nella fabbrica di moduli un dispositivo automatico salda il polo negativo del lato frontale di una cella con il polo positivo sul retro di una altra. Secondo questo principio del collegamento in serie le celle vanno a formare delle stringhe. Per ottenere una corrente maggiore è possibile collegare in parallelo più stringhe. A questo punto si ha un «tappeto» di celle fotovoltaiche tenute insieme da nastri di contatti elettrici.

10 La rete di celle è per questo incapsulata in una pellicola trasparente, sul lato anteriore viene applicato un vetro e sul lato posteriore un altra pellicola. Un laminatoio sigilla il tutto, formando un unità quasi indivisibile, resistente agli urti e impermeabile. Spesso, infine, viene aggiunto anche un telaio protettivo in alluminio. Affinché questi moduli possano essere collegati a formare un generatore fotovoltaico, vengono dotati sul retro di una scatola di connessione dove sono collocati i cosiddetti diodi di bypass. Se una o più celle del modulo viene ombreggiata, il diodo a partire da un certo valore lascia passare la corrente degli altri gruppi. In questo modo si protegge la cella da possibili danneggiamenti. I moduli fotovoltaici finiti vengono in fine controllati ancora con un generatore di flash. Questo grande lampeggiatore individua in base ad un modulo di riferimento calibrato i dati precisi sulla potenza di ogni modulo. Come le celle, infatti, anche i moduli di un generatore sono collegati in serie, formando delle stringhe, e quindi devono essere adattati il più possibile gli uni agli altri in base alla loro corrente. Se senza accorgersene finisce in circolazione un modulo con una corrente inferiore, questo anello debole determinerà più tardi la potenza dell intera catena.

Una cella fotovoltaica eroga tipicamente 1/1,5/2 W di potenza quando è investita da una radiazione di 1000 W/m 2 (condizioni standard di irraggiamento) Più celle assemblate e collegate in serie tra

11 Una cella fotovoltaica eroga tipicamente 1/1,5/2 W di potenza quando è investita da una radiazione di 1000 W/m 2 (condizioni standard di irraggiamento) Più celle assemblate e collegate in serie tra loro in un'unica struttura formano il modulo fotovoltaico. Un modulo tipo, ha dimensioni di circa 0,9x1,6 m= 0,8 mq, e può erogare in condizioni ottimali (irraggiamento, inclinazione esposizione), 160, 175, 180 e anche 200 W di picco

14 Condizioni di prova standard STC Standard Test Conditions Condizioni di prova normalizzate: T di cella: 25 C ± 2 C Irraggiamento W/m 2 (sul piano del modulo) Distribuzione spettrale corrispondente ad AM = 1,5 (Air Mass -indice di massa d aria) Altri parametri NOCT Normal Operating Cell Temperature ossia temperatura della cella in condizioni operative nominali che sono Irraggiamento 800 W/m 2 temperatura ambiente 20 C velocità dell aria sul retro dei moduli 1 m/s modulo funzionante a vuoto In genere compresa tra 45 C e 50 C (un basso valore di NOCT corrisponde ad una buona capacità delle celle di smaltire il calore verso l esterno)

17 Formule di calcolo V T = V 25 C + (T-25 C) Corretto accoppiamento campo FV inverter rapporto tra Pmax cc dell inverter e Pcampo FV 95 % < Pmax cc / P campo FV < 115 %

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