Effetto fotovoltaico /1 Il rendimento

Dedichiamo alcuni post agli ultimi sviluppi dell'energia solare, come annunciato nel post La fiera europea del solare fotovoltaico . 

Un pannello fotovoltaico "cattura" parte dell'energia della radiazione solare e la trasforma una in differenza di potenziale elettrico (vedi oltre per una spiegazione sintetica dell'effetto fisico).

Il rapporto tra energia in uscita ed energia in entrata è il rendimento o efficienza delle cella. Aumentare il rendimento è fondamentale per abbattere i costi dell'energia solare.

Il grafico  qui sopra (clicca per ingrandire), prodotto dal National Renewable Energy Laboratory, illustra la crescita dell'efficienza delle celle solari negli ultimi trent'anni. La crescita non è stata tumultuosa, ma sono comunque stati fatti dei buoni progressi dai pochi punti percentuali dei primi anni '70 fino al 40% delle celle multigiunzione di oggi. (vedi oltre).

La maggior parte delle celle prodotte oggi sono però ancora a giunzione singola in silicio; come si vede dal grafico, quelle in policristallo  hanno oggi efficienze del 20% e quelle in monocristallo raggiungono il 24%.

Ogni anno l' Italia riceve dal sole una quantità di energia tra i 1500 e i 2000 kWh al m² (i valori massimi si hanno naturalmente al sud). Con le efficienze riportate sopra, un pannello di silicio di 1,5 m² potrebbe produrre, in condizioni ottimali tra i 450 e i 720 kWh all'anno.

I prossimi giorni torneremo a parlare delle celle multigiunzione.

Post della serie "fovoltaico" 

1. Il rendimento
   
2. Celle multigiunzione
3. 500 soli
4. La pagella dei costruttori
5. Fotovoltaico-biomassa: 65 a 1.
   

Secondo la fisica quantistica nei solidi le energie degli elettroni sono raggruppate in bande. Nel silicio le bande di energia sono tutte occupate (bande di valenza), e gli elettroni non si possono muovere.

Se un fotone ha energia maggiore del gap di 1,1 eV, la può trasferire a un elettrone che così "salta" nella banda di conduzione vuota (se l'energia del fotone è minore di 1,1 eV questo non viene invece assorbito). L'elettrone lascia dietro di sè una "buca" in banda di valenza, anch'essa in grado di muoversi. Elettrone e buca vengono allontanati (altrimenti si ricombinerebbero) usando una giunzione pn nel silicio.

Il rendimento della cella fotovoltaica è legato all'efficienza con cui i fotoni riescono a "fare saltare" gli elettroni. A parte casi particolari, in un dispositivo come quello rappresentato sopra, l'energia dei fotoni oltre 1,1 eV viene "sprecata" e scalda la cella. I fotoni possono inoltre non interagire con gli elettroni o essere riflessi.

Per migliorare il rendimento è possibile

• utilizzare silicio monocristallino in cui gli elettroni si "muovono meglio",
• lavorare le superfici in modo che i fotoni subiscano riflessioni multiple e non sfuggano
• utilizzare due, tre o più giunzioni accoppiate con gap diversi; ogni giunzione è così "specializzata" a catturare fotoni di una certa energia all'interno dello spettro e viene sprecata una minore quantità di energia.