Una cella solare o cella fotovoltaica è un dispositivo a stato solido (realizzato con semiconduttori) che converte l’energia delle radiazioni luminose incidenti in elettricità tramite l’effetto fotovoltaico. Si tratta di un tipo di cellula fotoelettrica, le cui caratteristiche (intensità di corrente, tensione e resistenza) possono variare quando è esposta alla luce. Le celle fotovoltaiche sono gli elementi costitutivi dei moduli fotovoltaici, anche noti come pannelli solari. La forma più comune delle celle solari è quella quadrata con 12,5 cm di lato (e spessore compreso fra 0,25 e 0,35 mm).
Fra i vari tipi di celle presenti sul mercato, le più diffuse e apprezzate sono quelle in silicio monocristallino (sintetizzato in laboratorio di solito con il processo Czochralski), di colore blu, tendente al nero. Sono caratterizzate dall’avere una struttura cristallina che si ripete all’infinito e periodicamente su tutto il volume, senza bordi di grano (presenti invece nei solidi policristallini). L’efficienza energetica di un pannello solare composto da celle in silicio monocristallino, che sia colpito da luce solare in direzione perpendicolare alla superficie del pannello, è di circa il 20%.
Una cella fotovoltaica è costituita essenzialmente da due sottili strati di materiali semiconduttori (silicio monocristallino o amorfo o altre sostanze): uno strato è di tipo n (tende a raccogliere elettroni, quindi cariche negative), l’altro di tipo p (tende a raccogliere cariche positive o “buche”). La cella fotovoltaica è completata da un rivestimento antiriflesso e da due contatti elettrici, l’uno superiore, l’altro inferiore.
FUNZIONAMENTO DI UNA CELLA FOTOVOLTAICA
Nella zona di contatto (giunzione) tra i due semiconduttori, esiste un campo elettrico, dovuto alla diversa natura dei due materiali. Quando la zona di contatto è colpita da luce solare, cioè da fotoni, vengono mobilitati elettroni (quelli più esterni degli atomi di silicio), che il campo elettrico sospinge nello strano n. Per ogni elettrone che si libera, si forma contemporaneamente una carica positiva che, sempre a causa del campo elettrico, viene sospinta nello strato p. Collegando i due strati con un circuito esterno, si avrà una circolazione di elettroni, cioè una corrente elettrica continua, tra n e p. Il rendimento massimo teorico della trasformazione di energia solare in energia elettrica è del 32%.
IMPIEGHI DELLE CELLE FOTOVOLTAICHE
Abbinando insieme più celle fotovoltaiche si ottiene un modulo o un pannello fotovoltaico, che può fornire elettricità, per esempio, a singole utenze domestiche. Mettendo insieme un elevato numero di moduli, si possono realizzare centrali solari fotovoltaiche. Le batterie solari trovano anche diffuso impiego in calcolatrici tascabili e orologi, oltre che nei satelliti artificiali (la prima batteria solare fu realizzata nel 1954 e utilizzata per la prima volta in un satellite artificiale del nel 1958).
Le parole dell’ENERGIA RINNOVABILE e PULITA
#2 – I semiconduttori
#3 – L’effetto fotovoltaico
#4 – L’inverter fotovoltaico
#5 – Le caldaie a condensazione