Cella fotovoltaica o pannello solare

Definizione

Una cella fotovoltaica (PV) è un dispositivo semiconduttore che converte la luce in energia elettrica. La tensione indotta dalla cella PV dipende dall'intensità della luce incidente. Il termine "fotovoltaico" deriva dalla sua capacità di generare tensione ("voltaico") attraverso la luce ("foto").

Nei materiali semiconduttori, gli elettroni sono legati da legami covalenti. La radiazione elettromagnetica è composta da piccole particelle di energia chiamate fotoni. Quando i fotoni colpiscono il materiale semiconduttore, gli elettroni si energizzano e iniziano a emettere.

Questi elettroni energizzati sono noti come fotoelettroni, e il fenomeno dell'emissione degli elettroni è chiamato effetto fotoelettrico. Il funzionamento di una cella fotovoltaica si basa sull'effetto fotoelettrico.

Costruzione della Cella Fotovoltaica

Materiali semiconduttori come arsenico, indio, cadmio, silicio, selenio e gallio vengono utilizzati per realizzare le celle PV. Il silicio e il selenio sono principalmente utilizzati per la costruzione delle celle.

Prendiamo come esempio la struttura di una cella fotovoltaica al silicio:

• La superficie superiore della cella è costituita da uno strato sottile di materiale p-type in modo che la luce possa entrare facilmente nel materiale.

• Anelli metallici sono posizionati intorno ai materiali p-type e n-type, che agiscono rispettivamente come terminali di uscita positivi e negativi.

Le singole celle PV sono realizzate con materiali semiconduttori monocristallini o policristallini.

Le celle monocristalline sono tagliate da un singolo ingotto cristallino, mentre le celle policristalline sono prodotte da materiali con più strutture cristalline.

La tensione e la corrente di uscita di una singola cella sono piuttosto basse, tipicamente intorno a 0,6V e 0,8A rispettivamente. Per migliorare l'efficienza, le celle vengono combinate in varie configurazioni. Esistono tre metodi principali per connettere le celle PV:

Combinazione Parallela di Celle PV

In una configurazione parallela, la tensione sulle celle rimane invariata, mentre la corrente totale raddoppia (o aumenta proporzionalmente al numero di celle). La curva caratteristica delle celle PV connesse in parallelo è mostrata di seguito.

Combinazione Serie-Parallela di Celle PV

In una configurazione serie-parallela, sia la tensione che la corrente aumentano proporzionalmente. I pannelli solari sono tipicamente costruiti utilizzando questa combinazione di celle per ottenere una maggiore potenza di uscita.

Un modulo solare viene creato collegando singole celle solari. L'assemblaggio di più moduli solari viene chiamato pannello solare.

Funzionamento della Cella PV

Quando la luce colpisce un materiale semiconduttore, può passare attraverso o essere riflessa. Le celle PV sono realizzate con semiconduttori, materiali che non sono né perfetti conduttori né isolanti. Questa proprietà le rende altamente efficienti nella conversione dell'energia luminosa in energia elettrica.

Quando il semiconduttore assorbe la luce, i suoi elettroni iniziano a emettere. Questo avviene perché la luce è composta da piccoli pacchetti di energia chiamati fotoni. Quando gli elettroni assorbono i fotoni, si energizzano e iniziano a muoversi all'interno del materiale. Un campo elettrico interno costringe queste particelle a muoversi in una direzione, generando una corrente. Elettrodi metallici sul semiconduttore permettono alla corrente di fluire all'esterno.

La figura sottostante rappresenta una cella PV al silicio collegata a un carico resistivo. La cella è composta da strati semiconduttori di tipo P e N uniti per formare una giunzione PN.

La giunzione è l'interfaccia tra i materiali di tipo P e N. Quando la luce cade sulla giunzione, gli elettroni iniziano a muoversi da una regione all'altra.
Come vengono installate le celle solari in una centrale solare?
Dispositivi come i regolatori di punto di massima potenza (MPPT), i convertitori, i controller di carica e le batterie vengono utilizzati per convertire la radiazione solare in tensione elettrica.

Regolatore di Punto di Massima Potenza (MPPT)

Un MPPT è un controllore digitale specializzato che traccia la posizione del sole. Poiché l'efficienza delle celle PV dipende dall'intensità della luce solare, che varia durante il giorno a causa della rotazione della Terra, gli MPPT regolano l'orientamento del pannello per massimizzare l'assorbimento della luce e la potenza di uscita.

Controller di Carica

Un controller di carica regola la tensione dal pannello solare e prevenisce l'overcarica o l'sovratensione della batteria, assicurando un'energia di accumulo sicura ed efficiente.

Convertitore

Un convertitore trasforma la corrente continua (CC) dai pannelli in corrente alternata (CA) per l'uso con apparecchiature standard, che richiedono tipicamente energia CA.