Tutorial

L’effetto fotovoltaico e l’energia solare

L’effetto fotovoltaico, osservato per la prima volta da Alexandre Edmond Becquerel nel 1839, consiste nella creazione di una corrente elettrica per assorbimento di luce. In un materiale inorganico equivale al passaggio di elettroni dalla banda di valenza a quella di conduzione per interazione con un fotone. E’ l’effetto che viene sfruttato nelle celle fotovoltaiche per la produzione di energia elettrica dal sole. A differenza dell’effetto fotoelettrico nell’effetto fotovoltaico si fa passare la corrente attraverso un carico. Per ottenere questo è necessario avere un sistema asimmetrico di generazione buca/elettrone come in una giunzione p-n.
La questione energetica è una delle principali priorità della società moderna. Ricercatori e industriali di tutto il mondo sono impegnati nello sviluppo di materiali e tecnologie per catturare, convertire e conservare l’energia. La richiesta energetica mondiale è oggi, in termini di potenza, di circa 15 TW (Terawatt), ovvero 15 miliardi di kW. Il consumo annuale energetico si aggira attorno a 20,000 TWh/anno, con la previsione di un raddoppio per il 2050. E’ quindi cruciale avere a disposizioni fonti energetiche abbondanti ed economiche.
Le fonti energetiche si dividono in rinnovabili e non rinnovabili. Sono ad es. fonti non rinnovabili i combustibili fossili (petrolio, gas) e l’energia nucleare da fissione. Sono fonti rinnovabili l’energia nucleare geotermica e da fusione di idrogeno, l’energia idroelettrica (gravità), le biomasse, l’energia eolica e quella solare. Di tutte queste il sole è di gran lunga la più abbondante, se si pensa che invia sulla superficie terrestre 170,000 TW di potenza energetica, ovvero 10,000 volte superiore a quella che viene utilizzata quotidianamente in tutto il mondo.

La radiazione solare standard: AM 1.5.

L’altezza del sole sopra l’orizzonte o, se si vuole, l’angolo del sole rispetto alla verticale (zenith), determina ciò che viene chiamato Air Mass (AM). AM è maggiore quanto minore è l’elevazione rispetto all’orizzonte, ovvero maggiore angolo rispetto allo zenith. AM 1 corrisponde alla luce perpendicolare (angolo nullo rispetto allo zenith). Fuori dall’atmosfera si dice AM 0. La radiazione standard utilizzata è l’AM 1.5 (luce solare con angolo di 48.19° rispetto allo zenith, al mezzogiorno solare nell’equinozio di Marzo o Settembre all’equatore). Puo’ essere Direct (AM 1.5D) o Global (AM 1.5G) a seconda che contiene o meno la luce diffusa. Anche se usata molto in passato per le celle a silicio, la AM 1.5D è ora in genere sostituita dall’AM 1.5G, soprattutto nell’ambito delle nuove tecnologie a film sottile.
La radiazione solare standard AM 1.5, detta anche “1 sun“, corrisponde ad una densità di potenza integrata di ca. 100 mW/cm2 opp. 1000 W/m2. Questo è il valore standard universalmente utilizzato per determinare la potenza di una cella fotovoltaica. Il flusso di fotoni integrato è di 4.31 x 10^21 s^-1 m^-2 e il range di lunghezze d’onda coperte va da 280 a 4000 nm.
Per ricapitolare, le condizioni standard AM 1.5 sono le seguenti:

  • intensità della luce: 1000 W/m2
  • spettro solare: AM1.5 global (IEC 60904-3: 2008, ASTM G-173-03 global)
  • temperatura: 25°C

I parametri principali per l’efficienza di una cella solare.

Le prestazioni di un cella fotovoltaica vengono misurate soprattutto in termini di efficienza di conversione energetica (PCE o usando la lettera greca eta), dato dal rapporto tra densità di potenza massima in uscita (Pout, in W/m2) e irradianza solare in ingresso (Pin, nelle stesse unità) (relazione 1). Nelle condizioni standard AM 1.5 la densità di potenza in entrata è, a 1 sun, 1000 W/m2.
Quindi ad esempio un pannello con efficienza del 13% (tipico pannello commerciale a silicio cristallino) eroga una densità di potenza in uscita (potenza di picco, in Wp) di 130 Wp/m2. Per soddisfare le esigenze di un appartamento (3 kW) sono quindi necessari 3000/130= 23 m2 di superficie attiva disponibile, ovvero ca. 7-8 m2 per ogni kWp di potenza richiesta.
Secondo il modello di Shockley-Queisser l’efficienza teorica massima per un dispositivo a giunzione singola con luce solare non concentrata è ~ 30%. La potenza di picco in uscita di una cella Pout è data dalla relazione (2) dove Jmp e Vmp rappresentano rispettivamente la densità di corrente e la tensione al punto di massima potenza. Definendo il fill factor FF come il rapporto (valori tra 0 e 1) della Pout e il prodotto tra la massima tensione raggiungibile (condizioni di circuito aperto) Voc (in Volt) e la massima densità di corrente (condizioni di corto circuito) Jsc (in mA/cm2) (relazione 3), l’efficienza riportata nella relazione (1) può essere riscritta secondo l’equazione 4, che viene utilizzata per determinare il rendimento della cella. I valori Jsc, Voc e FF vengono ottenuti misurando la densità di corrente prodotta dalla cella variando la tensione applicata sotto illuminazione con un simulatore solare calibrato.

Efficienza quantica esterna e interna

Altri due parametri importanti per valutare le prestazioni e la qualità di una cella fotovoltaica sono l’Efficienza Quantica Esterna (EQE, External Quantum Efficiency) e l’Efficienza Quantica Interna (IQE, Internal Quantum Efficiency). Nella comunità DSC si usano acronimi diversi e, rispettivamente, IPCE (Incident-photon-to-current efficiency) e APCE (absorbed photon-to-current efficiency).
L’EQE misura il rapporto tra elettroni raccolti e fotoni incidenti in funzione della lunghezza d’onda della luce monocromatica incidente. Analogamente l’IQE è il rapporto tra elettroni raccolti e fotoni assorbiti in funzione della lunghezza d’onda. EQE e IQE sono legati tra loro dalla capacità di assorbimento della luce (LHE, Light Harvesting Efficiency) del materiale assorbitore in funzione della lunghezza d’onda. Ne risulta che IQE è più elevato dell’EQE in quanto quest’ultimo si riferisce ai fotoni incidenti mentre l’IQE ai soli fotoni assorbiti (IQE e IPCE sono infatti tra loro legati dal rapporto tra fotoni assorbiti e fotoni incidenti). L’IQE dipende a sua volta dall’efficienza di creazione delle cariche e di raccolta delle cariche agli elettrodi.
EQE e IQE permettono quindi di valutare le prestazioni della cella, in termini di fotoni assorbiti ed efficienza di creazione e raccolta delle cariche agli elettrodi, in funzione della lunghezza d’onda della luce incidente. Un parametro chiave è il valore massimo EQE(max) o IQE(max) che misura quindi la qualità del materiale usato e del dispositivo fabbricato. Mentre è possibile ottenere valori di IQE(max) uguali a 1 (ovvero tutti i fotoni assorbiti vengono convertiti in elettroni ad una data lunghezza d’onda), in genere EQE(max) arriva al massimo attorno a 0.90.
L’integrale, su tutte le lunghezze d’onda, di EQE per lo spettro di riferimento AM 1.5 equivale alla densità di corrente globale Jsc. Questo valore può essere confrontato con la densità di corrente ottenuta sotto il simulatore solare (vedi capitolo precedente) e la loro corrispondenza permette di validare le misure effettuate.

Le tecnologie fotovoltaiche


Martin Green, della University of New South Wales, Sydney, e altri ricercatori hanno classificato le tecnologie fotovoltaiche secondo tre generazioni. La prima generazione è basata su silicio mono e policristallino (c-Si) e costituisce circa l’80% del mercato fotovoltaico attuale. Anche se molto efficiente e stabile a lungo termine (oltre 25 anni) il fotovoltaico di prima generazione è troppo costoso e non ancora competitivo con i combustibili fossili. Gli attuali impianti diventano infatti competitivi solo con l’aiuto di programmi governativi (feed-in tariff), come il Conto Energia in Italia. Un fotovoltaico di seconda generazione, basati su tecnologie a film sottile di materiali inorganici , è stato pertanto sviluppato al fine di ridurre i costi e produrre tecnologie fotovoltaiche a basso costo e affidabili. Con celle di terza  generazione si intendono invece dispositivi ancora in fase sperimentale che permettono o di raggiungere efficienze maggiori del 30 % (celle a quantum dots, multigiunzione o a banda intermedie) o celle di efficienze confrontabili a quelle di seconda generazione, ma allo stesso tempo molto promettenti in termini di costi, facilità di fabbricazione e applicazioni particolari (celle organiche ed ibride).  L’ industrializzazione e commercializzazione diffusa di queste ultime è ancora limitata dalla minore efficienza e soprattutto dalla limitata stabilità, pur in costante miglioramento, rendendo quindi necessaria una forte ed intensa attività di ricerca.

  1. Prima generazione
    • silicio mono (c-Si) e multi cristallino (mc-Si o poly-Si)
    • silicio ribbon (ribbon c-Si)
  2. Seconda generazione: tecnologie a film sottile
    • silicio amorfo a-Si
    • silicio micro- e nano cristallino
    • calcogenuri semiconduttori: Copper Indium Gallium Diselenide/ Copper Indium Diselenide (CIGS, CIS), CdTe
  3. Terza generazione
    • dye-sensitized solar cells (DSC) (approfondimento)
    • organic photovoltaics (OPV)
    • tandem cells
    • multijunction cells
    • quantum dots

Il mercato fotovoltaico e il conto energia

Il GSE, Gestore Servizi Energetici, registra ad Aprile 2011 quasi 200,000 impianti fotovoltaici in Italia, corrispondenti a oltre 4.6 GW di potenza. Di questi, 4.25 GW si riferiscono al secondo Conto Energia (2007-2010). Per confronto si consideri che una centrale nucleare di media potenza eroga circa 1 GW di potenza. La Puglia, con 870 kW, è la prima regione, seguita da Lombardia (531 kW), Emilia Romagna (494 kW) e Veneto. In questo contesto l’Italia conferma il secondo posto al mondo raggiunto nel 2009 dopo la Germania, la quale ha accumulato circa 17 GW di potenza installata. Si può senz’altro affermare che il 2010 è stato l’annus mirabilis del fotovoltaico. Solo nel 2010 il mercato globale è risultato essere di 15 GW, contro 6 GW nel 2009, raggiungendo una potenza cumulativa installata di quasi 40 GW. In altri termini solo nel 2010 si è installata tanta potenza fotovoltaica che in tutti gli anni precedenti. Il mercato è dominato ancora da silicio mono- e multicristallino (80%). Il rimanente è affidato alle emergenti tecnologie a film sottile.

Articoli Divulgativi su Riviste del Settore

  1. Le Donne A., Acciarri M., & Binetti S. “L’energy down-shifting per aumentare l’efficienza delle celle” PV Technology 39 (2010), 2
  2. Acciarri M. & Binetti S. “Stato della ricerca e nuovi approcci per ridurre il costo del watt di picco in celle fotovoltaiche di silicio cristallino” PV Technology 4 (2009), 38
  3. Acciarri M. & Binetti S. “Stato della ricerca e nuovi approcci per ridurre il costo del watt di picco in celle fotovoltaiche di silicio cristallino” PV Technology 4 (2009), 38
  4. Abbotto, A. “Celle Organiche: L’Italia tra i Primi della Classe” PV Technology 2009
  5. Abbotto, A. “Celle di Graetzel: L’Innovazione che Imita la Natura” PV Technology 2009
  6. Abbotto, A. “Celle Organiche: Una Tecnologia Rivoluzionaria” PV Technology 2009
  7. Abbotto, A. “Celle Organiche: L’Italia tra i Primi della Classe” PV Technology 2009