Le celle solari sono il fulcro di ogni sistema fotovoltaico, in quanto convertono la luce solare in elettricità. A seconda del processo di produzione, vengono prodotti diversi tipi di celle solari. Queste vengono poi collegate tra loro e assemblate in moduli solari. In questo articolo vi spieghiamo tutto quello che c’è da sapere sulla tecnologia delle celle solari.
Qual è la tecnologia alla base delle celle solari fotovoltaiche? ( Petkov / Adobe Stock )
- La tecnologia delle celle solari spiegata: i fatti più importanti in breve
- Che cos’è una cella solare?
- Come è strutturata la tecnologia delle celle solari?
- Come funziona la tecnologia delle celle solari?
- Quali sono le tecnologie delle celle solari?
- Quali tecnologie a celle solari vengono utilizzate nelle case unifamiliari?
- Quale tecnologia di celle solari utilizzano le centrali elettriche da balcone?
- Come vengono prodotte le celle solari?
- Quale efficienza raggiungono le varie tecnologie di celle solari?
- Quanto costano le celle solari?
- Quanto dura una cella solare?
- Quanto è sostenibile la tecnologia delle celle solari?
- Quale tecnologia di celle solari utilizzano i moduli solari?
- Quali sono le nuove tecnologie di celle solari disponibili?
Contenuto
- La tecnologia delle celle solari: i fatti più importanti in breve
- Che cos’è una cella solare?
- Come è strutturata la tecnologia delle celle solari?
- Come funziona la tecnologia delle celle solari?
- Quali sono le tecnologie delle celle solari?
- Quali tecnologie a celle solari vengono utilizzate nelle case unifamiliari?
- Quale tecnologia di celle solari utilizzano le centrali elettriche da balcone?
- Come vengono prodotte le celle solari?
- Quale efficienza raggiungono le varie tecnologie di celle solari?
- Quanto costano le celle solari?
- Quanto dura una cella solare?
- Quanto è sostenibile la tecnologia delle celle solari?
- Quale tecnologia di celle solari utilizzano i moduli solari?
- Quali sono le nuove tecnologie di celle solari disponibili?
La tecnologia delle celle solari: i fatti più importanti in breve
Le celle solari sono il componente centrale per la generazione di energia solare.
- Struttura: le celle solari sono costituite da semiconduttori, principalmente silicio.
- Funzione: l’elettricità solare viene generata nella zona di carica spaziale, nota anche come giunzione p-n.
- Efficienza: le celle solari hanno un’efficienza che può raggiungere il 24%.
Che cos’è una cella solare?
Una cella solare è un elemento elettronico che converte l’energia solare in elettricità. Di solito hanno una dimensione di 156 x 156 millimetri e sono quindi i componenti più piccoli di un sistema solare. Le celle solari sfruttano l’effetto fotovoltaico per generare energia solare dai fotoni.
Come è strutturata la tecnologia delle celle solari?
Le celle solari sono costituite da semiconduttori come il silicio, divisi in due strati. Lo strato n è drogato negativamente e contiene elettroni liberi, mentre lo strato p è drogato positivamente e non contiene elettroni. Tra i due strati di semiconduttori si crea una cosiddetta zona di carica spaziale, nota anche come giunzione p-n. Alle due estremità si trovano elettrodi negativi o positivi per creare un flusso di corrente. Alle celle solari viene applicato uno strato antiriflesso.
Come funziona la tecnologia delle celle solari?
La tecnologia delle celle solari sfrutta l’effetto fotovoltaico per generare elettricità. Questo si verifica quando la radiazione solare colpisce lo strato di confine tra gli strati p e n. Qui gli atomi si staccano dallo strato n e migrano nello strato p grazie a forze attrattive. Rimangono «buchi» carichi positivamente. Questi fori migrano poi nello strato n mentre gli elettroni si spostano.
All’interfaccia, gli elettroni migrano dallo strato drogato n allo strato drogato p e formano lo strato limite e un campo elettrico. L’intensità della radiazione solare determina il rilascio di elettroni. In parole povere: più luce significa più elettricità prodotta dalla cella solare.
Gli elettroni vengono scaricati attraverso i contatti metallici sul lato n e p della cella solare. Questi contatti sono solitamente in alluminio o argento. Gli elettroni viaggiano quindi lungo un percorso conduttivo verso il polo opposto e generano un flusso di corrente elettrica.
Quali sono le tecnologie delle celle solari?
Солнечные элементы классифицируются в зависимости от материала полупроводниковых слоев. Кроме того, они могут быть классифицированы по толщине материала (толсто- или тонкопленочные элементы) и по используемой кристаллической структуре. Наиболее известными и используемыми типами ячеек являются монокристаллические, поликристаллические и аморфные кремниевые.
Монокристаллические солнечные элементы
Монокристаллические солнечные элементы состоят из одного кристалла кремния. Такая структура позволяет электронам двигаться более свободно, поэтому они являются наиболее эффективными из всех типов элементов. Они имеют темно-синий или черный цвет и в основном используются в фотоэлектрических системах для одноквартирных домов. Их доля на рынке составляет около 84%.
Поликристаллические солнечные элементы
Поликристаллические солнечные элементы имеют несколько фрагментов кристаллов, что приводит к потерям энергии. В результате их эффективность ниже по сравнению с монокристаллическими. Однако они дешевле в производстве и имеют наилучшее соотношение цена/качество.
Тонкопленочные солнечные элементы
Le celle solari a film sottile sono realizzate in silicio amorfo. Non si tratta di cristalli singoli o multipli, ma di materiale depositato in fase di vapore. Queste celle sono sottili e flessibili e sono più economiche delle celle solari monocristalline e policristalline. Tuttavia, sono meno efficienti, motivo per cui vengono utilizzate raramente.
Tuttavia, le celle a film sottile utilizzano anche altri materiali di partenza oltre al silicio amorfo, tra cui il tellururo di cadmio (CdTe) e i composti di rame-indio-(gallio)-zolfo-selenio. Le celle solari CIGS e CIS prendono il nome da questi ultimi. Queste celle hanno un’efficienza paragonabile a quella delle celle policristalline a film spesso. Tuttavia, presentano anche degli svantaggi. L’indio e il gallio, utilizzati in queste celle, sono rari e difficili da ottenere. Inoltre, il materiale composto in queste celle è tossico, il che rende difficile lo smaltimento. Per questo motivo, nonostante l’elevata efficienza, queste celle sono raramente utilizzate negli impianti su tetto.
Il modo migliore per sapere qual è il tipo di cella più adatto alla propria applicazione è rivolgersi a un’azienda specializzata. Di solito la scelta è tra celle solari monocristalline o policristalline.
Quali tecnologie a celle solari vengono utilizzate nelle case unifamiliari?
Le case monofamiliari utilizzano prevalentemente celle solari monocristalline. Il motivo è molto semplice: raggiungono un livello di efficienza più elevato e generano più elettricità sulla stessa superficie. Poiché le case monofamiliari dispongono di una superficie del tetto limitata per l’installazione di un impianto solare, la decisione viene spesso presa a favore delle celle solari monocristalline.
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Quale tecnologia di celle solari utilizzano le centrali elettriche da balcone?
Lo stesso vale per le centrali elettriche da balcone, che utilizzano principalmente celle solari monocristalline perché più efficienti. Anche se le centrali elettriche da balcone possono avere una potenza nominale limitata (800 watt di picco dal 1° gennaio 2024), è importante sfruttare al massimo la piccola superficie disponibile.
Come vengono prodotte le celle solari?
I diversi tipi di tecnologia delle celle solari sono realizzati con processi produttivi diversi.
- Монокристаллические солнечные элементы: Для получения монокристалла кремний сначала расплавляют и очищают. Крупный монокристалл вытягивается из расплава на стержень, что технически очень сложно. Затем из монокристалла вырезаются тонкие диски, называемые пластинами.
- Celle solari policristalline: sono più facili da produrre perché non richiedono un singolo cristallo. Il materiale fuso viene trasferito in un crogiolo o fuso direttamente in esso. La fusione si raffredda nel crogiolo e forma dei cristalli. Dal blocco vengono poi tagliati lingotti o cuboidi. Questi lingotti vengono utilizzati per produrre i wafer policristallini. I wafer vengono poi drogati e dotati di elettrodi per creare una cella solare.
- Celle solari a film sottile: nei processi automatizzati, le singole celle vengono depositate applicando strati sottili di silicio amorfo gassoso o di altri materiali semiconduttori. La deposizione avviene direttamente su un materiale portante, come un foglio di vetro o di metallo. Non ci sono tracce conduttive visibili.
Il silicio come materia prima
Il silicio è abbondante in natura, ma non è presente in forma pura. Si trova in composti come i silicati, la sabbia o il quarzo. Queste sostanze naturali non possono essere utilizzate per il fotovoltaico. Devono essere purificate con processi complessi per ottenere il silicio più puro per le successive lavorazioni. Il silicio di elevata purezza è necessario per garantire il flusso di elettricità nella cella solare ed evitare guasti. Per la produzione di celle solari è necessario un livello di purezza superiore al 99,99%.
Quale efficienza raggiungono le varie tecnologie di celle solari?
Le celle solari monocristalline raggiungono la massima efficienza, convertendo in elettricità fino al 24% della radiazione solare assorbita. Le celle solari policristalline raggiungono un’efficienza del 15-20%, mentre quelle a film sottile arrivano solo al 13%. Le celle solari CdTe e CIGS raggiungono efficienze comprese tra il 16 e il 21%, ma attualmente non sono significative sul mercato.
Tipo di cella
Efficienza
Celle solari monocristalline (c-Si)
Celle solari policristalline (mc-Si)
Quanto costano le celle solari?
Le celle solari non sono disponibili singolarmente, per cui è difficile quantificare un prezzo per cella solare. I costi dipendono fortemente dalla tecnologia delle celle solari. Le celle solari monocristalline sono le più costose a causa della loro elevata efficienza, seguite dalle celle solari policristalline. Le celle solari a film sottile sono le più economiche. In generale, le celle solari più costose hanno un’efficienza maggiore.
Quanto dura una cella solare?
In media, le celle solari durano circa 30 anni. Alcune celle solari raggiungono addirittura una durata di 40 anni. Durante questo periodo, le celle solari perdono sempre più potenza a causa del degrado. Le celle solari continuano quindi a funzionare anche dopo 30-40 anni, anche se presentano un leggero calo delle prestazioni.
Degrado della tecnologia delle celle solari
Le celle solari si degradano nel tempo e perdono una piccola parte della loro efficienza. Ciò è dovuto principalmente al riscaldamento delle celle solari. I produttori ipotizzano una perdita di efficienza dello 0,3-0,5% all’anno, mentre il Fraunhofer ISE la stima intorno allo 0,15%. Le celle monocristalline sono leggermente più colpite dal degrado a causa del loro colore nero, ma la differenza con le celle policristalline è minima.
Quanto è sostenibile la tecnologia delle celle solari?
La tecnologia delle celle solari ha un basso impatto ambientale rispetto ad altre fonti energetiche. Non vengono rilasciate emissioni durante il loro utilizzo. Tuttavia, la produzione e lo smaltimento dei moduli solari consumano risorse e generano rifiuti. In Germania, l’impronta ecologica delle celle solari viene ammortizzata entro un anno.
Il fotovoltaico non è solo un modo sostenibile di generare elettricità, ma è anche economicamente conveniente a causa dei prezzi elevati dell’elettricità. Un’azienda specializzata può aiutare a visualizzare l’impronta ecologica e il potenziale di risparmio del fotovoltaico.
Quale tecnologia di celle solari utilizzano i moduli solari?
I moduli solari utilizzano celle intere o mezze celle. Entrambi i tipi hanno vantaggi e svantaggi.
- I moduli più utilizzati sono i classici moduli a celle piene. Hanno 60 o 72 celle solari collegate in serie. Queste celle sono divise in 3 stringhe, ognuna delle quali è protetta da un diodo di bypass. Ogni modulo ha 3×20 o 3×24 celle solari collegate in serie.
- I moduli a mezza cella utilizzano 120 o 144 semicelle. Ogni modulo ha sei stringhe di 20 semicelle. La metà superiore ha tre stringhe di 20 semicelle collegate in parallelo alla metà inferiore. Questo collegamento viene effettuato sulla barra di distribuzione al centro del modulo. Questo divide il modulo in due metà identiche. Ogni metà ha 3 diodi di bypass, ognuno dei quali protegge 20 semicelle.
Quali sono le nuove tecnologie di celle solari disponibili?
Le celle solari al silicio si sono affermate sul mercato, ma la loro efficienza è fisicamente limitata. Per questo motivo, sono state sviluppate tecnologie che migliorano le prestazioni, come la tecnologia PERC o TOPCon. Le celle solari in perovskite e in tandem sono nuove e promettenti tecnologie di celle solari che non sono ancora pronte per il mercato.
Celle solari bifacciali
Le celle solari bifacciali sono celle che sfruttano la luce sia dalla parte anteriore che da quella posteriore. Una seconda lastra di vetro sul retro del modulo fotovoltaico permette alla luce indiretta di raggiungere le celle. Questo aumenta l’efficienza del modulo.
Celle solari PERC
Le celle solari PERC riflettono la luce solare all’interno della cella per massimizzare la produzione di energia. Questa tecnologia riduce la quantità di luce solare persa e aumenta il rendimento per cella solare. Di conseguenza, l’efficienza può essere aumentata fino al 22,5%.
Cella solare TOPCon
La tecnologia TOPCon è un ulteriore sviluppo della tecnologia PERC. Le celle solari TOPCon sono passivate con un sottile strato di ossido di alluminio sulla superficie del materiale di tipo P. Includono inoltre un sottile strato di biossido di silicio di circa 2 nanometri di spessore come strato tunnel e un sottile strato ad alto contenuto di polisilicio sotto lo strato di biossido di silicio. Ciò consente di raggiungere un’efficienza fino al 25%.
Celle solari a etero-giunzione
Nelle celle solari a etero-giunzione, un sottile strato di silicio amorfo racchiude un disco di silicio cristallino. Questo aumenta l’efficienza della cella a oltre il 24%. Combinano i vantaggi delle celle a film spesso e a film sottile.
Celle solari tandem
Le celle solari tandem sono costituite da più celle solari parziali. Combinando diversi tipi di celle, viene assorbita una percentuale maggiore dello spettro luminoso rispetto alle singole celle solari. La combinazione più studiata consiste in diverse proporzioni di celle solari cristalline, perovskite e a film sottile. Sebbene questo tipo di celle solari non sia ancora del tutto pronto per il mercato, raggiunge già un’efficienza di circa il 30%. I primi produttori, come QCells e Oxford PV, producono le prime celle solari tandem dal 2023.
Celle solari in perovskite
Una cella solare a perovskite è una cella solare che utilizza il minerale perovskite come semiconduttore. Utilizza un composto di alogenuro di piombo o di stagno come strato attivo per raccogliere la luce. Il composto è solitamente un materiale ibrido organico-inorganico. Raggiungono efficienze di circa il 30%, ma hanno una vita utile più breve. Inoltre, utilizzano il piombo, che è dannoso per l’ambiente. Secondo le previsioni, dovrebbero essere pronti per il mercato entro il 2025.
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