Fotovoltaico: etimologia “photo” dal Greco “φῶς ” (Luce) + “volt” “elettricità dalla luce”.

Fotovoltaico: cos’è È la tecnologia che permette di produrre energia elettrica mediante la conversione diretta della luce del sole senza l’uso di combustibili e senza parti meccaniche in movimento.

Fotovoltaico: limite Il fotovoltaico non può sostituire al 100% la produzione di energia elettrica necessaria perché la fonte che l’alimenta non è continua 24 ore su 24 Può contribuire a limitare produzione tradizionale di energia elettrica

Fotovoltaico: ecologico La produzione di energia col FV non produce inquinamento (nel luogo di installazione!)

Tecnologia

Tecnologia Il silicio è il materiale più utilizzato per la produzione di celle fotovoltaiche oltre il 90% dei moduli in commercio sono in silicio Subito dopo l’ossigeno, è l’elemento più abbondante sulla terra Non esiste in forma pura ma solo sotto forma di Ossido di Silicio (SiO2) o altri composti (sabbia, quarzo, argilla)

Silicio di grado solare grado di purezza stabilito deve essere 99,9999% Il silicio viene prima estratto dalle miniere e poi viene reso puro attraverso diversi processi chimici. Nell’industria fotovoltaica viene utilizzato nella sua forma cristallina (mono e poli) con atomi di Si ordinati in maniera regolare amorfa con atomi di Si distribuiti in maniera casuale (come il vetro)

Processo per ottenere il silicio Estrazione del silicio “metallurgico”:  SiO2 + C = Si + CO2 (1800°C) Purificazione: Produzione di triclorosilano Si + 3HCl = SiHCl3 +H2 Distillazione multipla del SiHCl Deposizione del silicio puro SiHCl3 +H2 = Si + 3HCl, (1350°C) - processo Siemens   Il risultato finale sono barre di silicio policristallino, dalle quali si ottengono con procedimenti meccanici le celle. Questa fase ha un rendimento piuttosto basso (spreco di materiale anche del 50%).

Per ottenere il silicio monocristallino, il più efficiente, occorre un ulteriore processo ad alta temperatura che prende il nome dal suo scopritore, Czochralski. L’insieme delle varie fasi descritte, richiede un considerevole apporto energetico, che ne giustifica, solo in parte, il costo. Si capisce come mai i moduli realizzati con celle a silicio policristallino siano generalmente più economici rispetto a quelli realizzati con silicio monocristallino. Il motivo per cui il silicio monocristallino ha un rendimento più alto del policristallino sta nel fatto che quest' ultimo, data la sua struttura più irregolare, tende a dissipare più energia

Il lingotto di silicio diametro di circa 20 cm alto circa un metro pesa da 70 a 75 kg una volta raffreddato, viene tagliata la testa e la coda quindi vengono sagomati e tagliati a fette “wafer”che sono la base per le celle finite.

Celle in silicio policristallino Nel processo produttivo il silicio policristallino viene versato in blocchi che hanno una forma quadra. I blocchi raffreddati vengono tagliati in lingotti e quindi sezionati in wafer da 230μm/350μm. Durante la fase di solidificazione, i cristalli si dispongono in modo casuale ed è per questo che la superficie presenta i caratteristici riflessi cangianti. Il silicio policristallino ha una grana più grossa del silicio monocristallino.

Celle in silicio monocristallino Con un processo produttivo più complesso, dal silicio fuso, vengono ottenuti dei lingotti cilindrici di silicio monocristallino. Al cilindro viene data una forma esagonale e quindi sezionato in fette sottili (wafer) da 200μm/300μm, le quali presentano un color argento lucido. Queste, inoltre, vengono sagomate in forme più o meno squadrate al fine di diminuire gli spazi inutilizzati ed aumentare il numero di celle ospitate dal modulo.

Silicio monocristallino Silicio policristallino

Efficienza e proiezione dei costi per le celle di I, II e III generazione

La giunzione PN

Drogaggio Quando, in un qualsiasi materiale, oltre agli atomi o molecole di base ne esistono di estranee, ossia che non dovrebbero far parte del materiale stesso ma invece presenti, si parla genericamente di impurità Se invece il materiale di base è volutamente ed artificialmente addizionato di elementi estranei, si parla di drogaggio. Drogare un materiale significa quindi aggiungere volutamente delle impurità per cambiare le proprietà elettriche del materiale stesso.

drogaggio PN

Giunzione PN Tale giunzione è realizzata ponendo a contatto due cristalli, uno dei quali contiene atomi trivalenti (ad es. di boro), mentre l’altro contiene atomi pentavalenti (ad es. fosforo). Il cristallo di tipo P, contenente gli atomi trivalenti, presenta nel reticolo delle lacune, mentre quello di tipo N con gli atomi pentavalenti presenta elettroni in più.

Giunzione PN

Giunzione PN All’interfaccia tra i due cristalli, gli elettroni del cristallo N si diffondono verso il cristallo P (e viceversa per le lacune), formando una regione di carica spaziale in cui mancano i portatori mobili di carica (regione di svuotamento). Il processo si ferma quando il campo elettrico che si genera controbilancia il moto di diffusione