Ingegneria Energetica

Tipologia di celle in silicio di pannelli fotovoltaici

Nella realizzazione di pannelli fotovoltaici si può optare per diverse tipologie di celle che variano a seconda del materiale usato, dei limiti di budget che bisogna soddisfare e delle efficienze minime che si vuole raggiungere per garantire il funzionamento del dispositivo associato. Di seguito le tipologie di pannelli fotovoltaici realizzati con celle in silicio evidenziandone tecniche costruttive, vantaggi e svantaggi.

Cella in Silicio monocristallino

Le celle in silicio monocristallino sono le più usate per la realizzazione di pannelli fotovoltaici e sono ottenute attraverso il processo Czochralski: questo consiste nell’immergere un seme di silicio monocristallino in un colatoio contenente Silicio puro in forma liquida. La temperatura del Silicio viene mantenuta al di sopra della temperatura di fusione del Silicio (TfSi=1414 °C) in modo tale che il silicio fuso possa aderire al seme monocristallino garantendo una struttura molecolare regolare.

Il seme monocristallino viene lentamente estratto permettendo al Silicio depositato di solidificarsi lentamente creando una struttura a lingotto cilindrico. In seguito, il lingotto viene tagliato con speciali macchinari in fettine (chiamati wafer) caratterizzati da un elevata fragilità. Il lingotto viene sottoposto ad un bagno chimico che permette di rimuovere lo strato di ossido protettivo, viene in seguito effettuato il drogaggio attraverso la tecnica della diffusione o dell’impiantazione ionica per creare la giunzione p-n. Infine si deposita una pasta metallica conduttrice sulla cella per creare i contatti che permettono la raccolta delle cariche elettriche e la loro convergenza verso i conduttori, per poi entrare nel circuito elettrico.

Il modulo monocristallino ha un’efficienza che varia dal 12% al 20% in base alla precisione nella realizzazione delle celle. È caratterizzato da ha una durata elevata, mediamente si attesta sui 25 anni e presenta scarse perdite di rendimento. Lo svantaggio principale di questo tipo di cella è relativo al costo molto alto, soprattutto dovuto al suo processo di fabbricazione che comporta un notevole utilizzo di Silicio, elemento decisamente non economico. Inoltre, è abbastanza sensibile all’aumentare della temperatura che provoca un calo non trascurabile del rendimento.

cella in silicio monocristallino

Cella in Silicio policristallino

Il policristallino è un modulo costituito da vari cristalli di silicio monocristallino orientati in modo casuale. Si realizza riciclando componenti elettronici scartati che vengono fusi. Il metodo utilizzato per fondere i vari cristalli di Silicio viene nominato casting: il materiale di scarto viene frantumato con appositi macchinari e poi sottoposto ad un’operazione di decapaggio che permette di rimuovere le impurità del materiale come residui di ruggine e scaglie dovute alla laminazione. Viene quindi fuso e colato in apposite forme dove viene lasciato ricristallizzarsi; durante questa fase è possibile introdurre un drogante nel semiconduttore.

È fondamentale eseguire in maniera precisa il processo di fusione ed in seguito della cristallizzazione per evitare un accumulo delle impurità presenti nel materiale: per questo è difficile produrre quantitativi elevati di blocchi di Silicio policristallino in tempi brevi, è un processo che richiedere molto tempo. Avvenuta la cristallizzazione si ottiene un blocco che viene tagliato in lingotti da cui si ricavano i wafer. Ottenuto il wafer si eseguono le stesse operazioni del modulo monocristallino per la realizzazione della cella.

Il processo di produzione è caratterizzato da un minor costo rispetto alla controparte monocristallina: infatti la realizzazione è più semplice e comporta un minor spreco di silicio. La durata stimata di questa tipologia di pannelli fotovoltaici è considerata media (~25 anni) i quali presentano una buona tolleranza al calore, permettendoli di operare a temperature maggiori, non andando a discapito del rendimento. Il vantaggio ottenuto in termini di costi e di resistenza alla temperatura si sconta in termini di rendimento che infatti si aggira introno al 10%-16% e quindi per garantire la stessa energia convertita dei pannelli monocristallini necessitano di una superficie più ampia.

cella in silicio policristallino

Cella in Silicio amorfo

La struttura amorfa (a-Si) è una delle forme allotropiche del Silicio (l’allotropia è la proprietà di un elemento di esistere in diverse forme) caratterizzata da una struttura molecolare irregolare. Il silicio cristallino presenta una struttura ordinata che si ripete fino a formare un reticolo. Nel caso del silicio amorfo, invece, questo ordine non è presente (non è caratterizzato da un reticolo ordinato) quindi gli atomi formano un reticolo disordinato: non tutti possiedono legami con altri quattro atomi di silicio.

Questa particolarità fa sì che alcuni atomi hanno dei legami disponibili che sono responsabili del suo comportamento elettrico. Nel caso del silicio amorfo non è corretto parlare di celle fotovoltaiche: il silicio infatti viene deposto uniformemente in piccole quantità su superfici di materiale plastico o vetrato, andando a formare un unico strato sottile dello spessore di qualche millesimo di millimetro.

I pannelli in silicio sono caratterizzati da una colorazione omogenea, tendente al nero, sono dotati di buona flessibilità e leggerezza e lo spessore complessivo del modulo, telaio compreso, è di pochi millimetri. Il Silicio amorfo presenta un costo dei moduli di molto inferiore, che può arrivare anche al 30-40% in meo rispetto alle tecnologie in silicio cristallino. Il basso costo purtroppo non è indice di buone prestazioni, infatti il rendimento di pannelli di questo tipo varia dal 6% al 10% che costringe l’utilizzo di ampie superfici per l’installazione. Nonostante sia garantita un’elevata durata di vita, che si aggira intorno ai 25 anni in media, dopo alcuni mesi dall’installazione, i moduli subiscono un brusco calo di efficienza, pari circa al 20%, il quale porta il rendimento della potenza nominale a sfiorare l’80% per quasi tutta la vita produttiva dell’impianto. Questo a causa proprio della particolarità del suo “reticolo”.

cella in silicio amorfo

Le celle in silicio sono largamente utilizzate in ambiti terrestri la buona efficienza associata ad un costo non troppo oneroso le rendono ideali per ambienti abitativi mentre estremamente sconvenienti in ambienti dove serve un’ efficienza altissima come ad esempio l’ambiente spaziale.

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Fonti:

Umberto Paloni
Laureato in Ingegneria Energetica presso l'Università di Roma Tor Vergata. Appassionato di sport e di musica. Sin da piccolo interessato all'energia e agli scambi energetici in tutte le sue forme, affascinato dall'energia solare e dalle tipologie di strumenti in grado di sfruttarla e convertirla.

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