Dal fotone al volt: Come funziona una cella solare?
Introduzione: L'energia solare nel semiconduttore
Che si parli di impianto solare, modulo solare o cella solare, in tutti questi termini compare la parola "solare" – derivata dal latino "solaris", che significa "relativo al sole". I raggi caldi della nostra stella, oltre alla loro funzione vitale, offrono anche un enorme potenziale tecnologico.
Il cuore di ogni impianto fotovoltaico si basa sempre sulla stessa idea: l'energia luminosa viene convertita direttamente in energia elettrica. Ciò avviene perché semiconduttori speciali come il silicio possono liberare elettroni quando esposti alla luce. In questo articolo scoprirà come funziona esattamente questo processo.
L'effetto fotovoltaico: Il principio fondamentale
Nell'effetto fotovoltaico, in determinate condizioni del materiale, i fotoni incidenti (particelle di luce) espellono gli elettroni dalle loro orbite atomiche. Ma come si trasforma la luce in corrente elettrica utilizzabile? Qui entra in gioco la giunzione P-N.
Cos'è una giunzione P-N?
La giunzione P-N indica una zona di confine tra due diversi materiali semiconduttori con particolari proprietà di conduzione. Questa zona di confine si forma attraverso il cosiddetto drogaggio – l'inserimento mirato di atomi estranei nel silicio:
- Silicio drogato P (ad es. con boro): Presenta lacune elettroniche e funge da lato positivo (atomi accettori)
- Silicio drogato N (ad es. con fosforo): Possiede elettroni liberi e funge da lato negativo (atomi donatori)
- Zona di carica spaziale: Al confine tra la regione P e N si forma un campo elettrico responsabile della separazione delle cariche
Gli elettroni liberi al confine dell'elemento N migrano verso le lacune elettroniche dell'elemento P. In questo modo si genera il campo elettrico nella zona di confine.
Dal fotone alla tensione: Il processo passo dopo passo
Il processo completo dal fotone al volt si spiega attraverso le seguenti fasi:
- Il fotone colpisce la zona di confine: Una particella di luce raggiunge la giunzione P-N o la sua prossimità
- L'elettrone si libera: Il fotone trasferisce la sua energia a un elettrone, che si stacca dall'atomo lasciando una "lacuna" carica positivamente
- Separazione delle cariche: Il campo elettrico della zona di carica spaziale spinge gli elettroni verso il lato N e le lacune verso il lato P
- Generazione della tensione: Dalla separazione spaziale delle cariche si sviluppa una tensione elettrica utilizzabile
- Circolazione della corrente: Collegando un carico, fluisce corrente elettrica – si possono alimentare elettrodomestici, pompe di calore o altre applicazioni
Einstein e l'effetto fotoelettrico
Ciò che molti non sanno: Albert Einstein ricevette il Premio Nobel non per la celebre teoria della relatività con la formula E=mc², bensì per la spiegazione dell'effetto fotoelettrico nel 1921. L'effetto fotovoltaico è un caso particolare dell'effetto fotoelettrico.
Senza le scoperte di Einstein, tecnologie moderne come smartphone, internet, microchip e naturalmente gli impianti fotovoltaici non sarebbero stati possibili.
Parametri fondamentali di una cella solare
Rendimento del modulo
Il rendimento indica quanta energia solare incidente viene effettivamente convertita in energia elettrica:
- Moduli monocristallini: 18–24% (rendimento più elevato)
- Moduli policristallini: 15–20% (buon rapporto qualità-prezzo)
- Moduli a film sottile: 8–15% (facile integrazione, applicazioni flessibili)
- Celle sperimentali: Fino al 47% in laboratorio (celle solari tandem)
Per confronto: una vecchia lampadina a incandescenza converte solo circa il 5% dell'energia in luce – il resto si disperde come calore.
Coefficiente di temperatura
L'aumento della temperatura del modulo riduce la tensione e quindi la potenza. Valori tipici:
- Per ogni aumento di temperatura di 1°C, la potenza diminuisce di circa 0,3–0,5%
- Con una temperatura del modulo di 40°C invece dei 25°C (condizioni standard), un modulo perde già il 4,5–7,5% di potenza
Ombreggiamento e diodi di bypass
L'ombreggiamento parziale di un modulo riduce notevolmente la corrente – non solo in proporzione alla superficie ombreggiata. I diodi di bypass limitano queste perdite di resa bypassando le celle ombreggiate.
Panoramica delle tecnologie
| Tecnologia | Rendimento | Vantaggi | Svantaggi |
|---|---|---|---|
| Monocristallino | 18–24% | Massima efficienza, lunga durata | Costi più elevati |
| Policristallino | 15–20% | Più economico, tecnologia collaudata | Efficienza leggermente inferiore |
| Film sottile | 8–15% | Flessibile, leggero, resistente all'ombreggiamento parziale | Rendimento più basso |
Conclusioni
In sintesi: La cella solare è il cuore di ogni impianto fotovoltaico. Grazie all'effetto fotovoltaico e alla struttura intelligente composta da semiconduttori drogati, la luce solare viene convertita direttamente in corrente elettrica.
Prossimo passo: Struttura di un impianto FV: Dal modulo all'immissione in rete
Fonti e approfondimenti
- Elektrokompendium: Semiconduttori e drogaggio
- LeifiPhysik: Celle solari al silicio
- HTW Berlin: Guida all'efficienza per sistemi di accumulo FV
- Solarwissen: Il drogaggio spiegato in modo semplice
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