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Il Solare Fotovoltaico - Giuseppe Caserta -
Il principio fisico
L’energia luminosa del sole può essere convertita direttamente in energia elettrica tramite il processo FOTOVOLTAICO.
Quando un raggio luminoso viene assorbito da un semiconduttore – generalmente silicio -, vengono generate all’interno del semiconduttore stesso un elettrone e una lacuna (assenza di elettroni) ossia una coppia di cariche elettriche di segno opposto. Queste cariche possono muoversi sotto l’azione di una differenza di POTENZIALE.
Introducendo nel semiconduttore cristallino determinate impurezze, chiamate “droganti”, se ne possono modificare le proprietà elettriche.
Per esempio, prendiamo il silicio che ha valenza 4.
Introducendo fosforo che ha valenza 5 nel silicio che ha valenza 4, si ottiene un silicio con molte cariche negative libere di muoversi (silicio tipo n), mentre introducendo boro, che ha valenza 3 si ottiene un silicio con molte lacune mobili equivalenti a cariche positive.
Congiungendo i tue tipi di silicio diversamente drogati si ottiene nella zona di contatto un forte campo elettrico.
Se un raggio luminoso cade in prossimità della giunzione generando una coppia di cariche elettriche positive e negative, queste si muovono sotto l’azione del campo elettrico di giunzione, possono essere raccolte da due elettrodi e circolare in un circuito esterno.
La cella fotovoltaica
E’ una giunzione P-N, con una grande superficie esposta alla radiazione solare e un elettrodo superiore a forma di griglia per permettere alla luce di penetrare nella cella.
Quando la cella viene illuminata con fotoni di energia superiore all’energia di legame (Eg) del semiconduttore, la giunzione diviene una sorgente di coppie elettrone-lacuna.
Le coppie create in prossimità della zona di svuotamento sono separate dal campo elettrico di giunzione e generano una differenza di POTENZIALE ai capi della cella.
Se la cella viene chiusa su un carico, la tensione fotoindotta dà luogo ad un flusso di CORRENTE attraverso il carico stesso.
L’energia utile ricavabile da una cella è solo una piccola parte di quella incidente sulla cella stessa.
Caratteristiche elettriche della cella
Il circuito elettrico della cella può essere schematizzato come in figura II.6, dove è anche riportata l’equazione che lega tra loro CORRENTE e tensione della cella in funzione di vari parametri che caratterizzano il circuito.
Come si costruisce una cella
Una volta preparato il materiale di base, la cella viene montata.
La fase successiva riguarda la fabbricazione del modulo ossia l’insieme di più celle collegate tra loro in serie o in parallelo in un’unica struttura modulare.
Si ottengono così valori di tensione e di CORRENTE utilizzabile dalle comuni utenze elettriche.
I costi delle celle
I maggiori ostacoli alla diffusione dei generatori fotovoltaici deriva dall’elevato costo dell’energia elettrica prodotta.
Rispetto alla produzione di elettricità da fonti convenzionali fossili quella prodotta da fotovoltaici costa 3-4 volte di più.
Occorre quindi ridurre drasticamente i costi di produzione di celle e moduli.
Per questo è in corso un’intensa attività di ricerca sia per migliorare le caratteristiche delle attuali tecnologie sia per sperimentare nuove tecnologie nella fabbricazione delle celle di silicio o anche nella adozione di nuovi materiali.
L’abbattimento dei costi dipende anche dalla diffusione delle applicazioni cioè dallo sviluppo del mercato che è in questa fase condizionato da incentivi pubblici necessari per superare la fase di decollo del mercato stesso.
Conclusioni
La conversione fotovoltaica si è già dimostrata tecnicamente valida e utile per un ampia gamma di applicazioni. Dal punto di vista economico risulta estremamente più vantaggiosa delle batterie a secco, sta per diventare competitiva rispetto ai piccoli generatori a combustione interna e non è così lontana dalla competitività con i diesel di media taglia.
Nel medio termine la tecnologie fotovoltaica si avvicinerà sempre più alla competitività, sia per l’aumento dei rendimenti di conversione e la contemporanea riduzione dei costi di produzione dovuti ai progressi tecnologici e alle economie di scala, sia perché i sistemi convenzionali di generazione sono destinati ad avere costi crescenti.
In uno scenario a lungo termine, un ulteriore impulso alla competitività del FOTOVOLTAICO verrà dal fatto che a costi energetici crescenti si affiancheranno vincoli ambientali sempre più severi.