FOTOVOLTAICA, CELLA

FOTOVOLTAICA, CELLA

Si ricorda che in elettrologia l'effetto fotovoltaico è la generazione, a causa della radiazione luminosa incidente, di una forza elettromotrice. I dispositivi che, sfruttando l'effetto fotovoltaico, convertono l'energia luminosa irradiata dal sole in elettrica prendono il nome di celle fotovoltaiche o celle solari.

L'effetto fotovoltaico fu osservato per la prima volta da A.-C. Becquerel nel 1831 in soluzioni elettrolitiche; all'inizio del 20° secolo un effetto molto più rilevante fu misurato nelle giunzioni di Cu₂O/Cu e in quelle di CdS/Cu₂S. Il rendimento di conversione (rapporto tra la potenza elettrica prodotta dalla cella e quella luminosa incidente) di queste celle solari primitive era molto modesto (0,1%) e nessuna pratica utilizzazione fu intravista a quel tempo. La prima cella solare con un rendimento sufficientemente elevato (6%) fu realizzata nel 1954 utilizzando silicio monocristallino (v. semiconduttori, App. III, ii, p. 694). Le prime celle prodotte industrialmente furono impiegate unicamente per l'alimentazione dei satelliti. Fu soltanto nel 1974, in seguito alla prima crisi energetica, che furono studiate le applicazioni terrestri (v. solare, energia, App. IV, iii, p. 366). Da quel tempo sono diminuiti i costi di produzione, ed è aumentato il rendimento di conversione: nel 1990 le celle solari costavano, in moneta corrente, un decimo che nel 1974 e il rendimento di conversione, nei prodotti commerciali, raggiungeva il 13÷15%, rispetto al 10% del 1974.

La potenza elettrica che le celle solari possono produrre viene misurata in W_p (watt di picco) ed è quella che esse sviluppano, nella migliore condizione di adattamento del carico, quando la potenza luminosa incidente è pari a 1 kW/m², che è quella che si raccoglie sulla superficie terrestre a mezzogiorno e a ciel sereno. Poiché le celle solari sono sensibili anche allo spettro della radiazione incidente, le misure di rendimento vengono eseguite misurando non soltanto la potenza luminosa incidente, bensì anche il suo spettro.

I simulatori solari sono in grado di fornire la potenza luminosa richiesta (generalmente 0,8÷1 kW/m²) con 3 diversi spettri: AM0 (Air Mass Zero), che corrisponde allo spettro della radiazione solare extratmosferica; AM1 (Air Mass 1), che corrisponde allo spettro della radiazione solare, all'equatore, a livello del mare e a mezzogiorno, e AM1,5 (Air Mass 1,5), che è l'analogo di AM1 per le zone a clima temperato. Lo spettro AM1,5 è quello generalmente adoperato per misure su celle solari per applicazioni terrestri.

L'effetto fotovoltaico nei semiconduttori allo stato di monocristallo può essere descritto utilizzando il modello a bande di energia (v. semiconduttori, in questa Appendice). Nei semiconduttori si può creare una barriera di potenziale in diversi modi, per es. alla giunzione tra la zona n e quella p dello stesso semiconduttore, alla giunzione tra un metallo e un semiconduttore o tra due semiconduttori di diversa banda proibita. Per semplicità ci si riferirà al metodo più comunemente impiegato per creare tale barriera di potenziale, cioè alla giunzione p-n rappresentata in fig. 1 insieme al modello a bande d'energia. È proprio la barriera di potenziale alla giunzione che rende possibile l'effetto fotovoltaico. I fotoni incidenti in un semiconduttore possono essere assorbiti cedendo la loro energia agli elettroni. Per essere in grado di assorbire questa energia hν l'elettrone deve poter saltare dalla banda di valenza su un livello di energia libero, e cioè deve poter raggiungere la banda di conduzione creando così una coppia elettrone-lacuna (fotoni utili). I fotoni con energia minore di E_g non vengono assorbiti e attraversano il semiconduttore, che è a essi trasparente.

In base a quanto detto si ha un rapido cambiamento del coefficiente di assorbimento α quando l'energia dei fotoni incidenti eguaglia l'ampiezza della banda proibita. In fig. 2 sono riportati gli andamenti di α per alcuni materiali semiconduttori.

Non tutti i fotoni con energia maggiore di quella della banda proibita del semiconduttore contribuiscono alla generazione di energia elettrica. Infatti, con riferimento alla fig. 3 si ha che un fotone incidente può: 1) essere riflesso dalla superficie esterna della cella; 2) attraversare il semiconduttore senza dar luogo a scambi di energia; 3) essere assorbito lontano dalla barriera di potenziale; 4) essere assorbito in prossimità della barriera di potenziale.

Il caso 1) dà luogo a perdite abbastanza elevate, in quanto la riflessione può raggiungere il 30÷40%. È possibile tuttavia utilizzare degli opportuni rivestimenti antiriflettenti costituiti di solito da film di SiO₂, SiO o Ta₂O₅ di spessore inferiore al migliaio di ångström, che riducono tale perdita a meno del 10%, e talvolta fino al 5% della radiazione incidente. Il caso 2) è legato allo spessore finito del semiconduttore e al coefficiente di assorbimento. Per es. nel silicio uno spessore di 200 μm raccoglie praticamente tutta la radiazione incidente con energia superiore a E_g, mentre per i semiconduttori che hanno un andamento di α più ripido, come il GaAs, è sufficiente uno spessore di qualche μm.

Nel caso 3) la coppia di cariche viene generata lontano dalla giunzione e finisce per ricombinarsi mediamente dopo un tempo τ che è detto perciò ''vita media'' delle cariche. Se (caso 4) il fotone viene assorbito in prossimità della giunzione p-n, le cariche create potranno diffondere fino alla giunzione e là verranno separate dal campo elettrico ivi esistente, che spinge rispettivamente gli elettroni nella regione n e le lacune nella regione p, caricando la regione n negativamente e quella p positivamente e rendendo disponibile ai morsetti una differenza di potenziale che fa circolare corrente nel circuito esterno.

A causa della grande variabilità del coefficiente di assorbimento nel campo delle lunghezze d'onda dello spettro solare, i fotoni ultravioletti (basse lunghezze d'onda dello spettro) generano cariche molto vicino alla superficie che viene colpita dalla radiazione, mentre quelli infrarossi (alte lunghezze d'onda) le generano a maggior profondità nel semiconduttore. Per il silicio la migliore condizione per la raccolta delle cariche si verifica quando la giunzione è posta a circa 0,3 μm dalla superficie della cella.

In fig. 4 è riportato in funzione della lunghezza d'onda un tipico andamento dell'efficienza di raccolta delle cariche, definita come numero di cariche separate dalla giunzione rapportato al numero dei fotoni utili incidenti. Si noti come alle basse lunghezze d'onda la raccolta avvenga essenzialmente nello strato superiore della giunzione, mentre alle lunghezze d'onda maggiori contribuisce principalmente la regione inferiore detta anche base.

La struttura tipica di una c.f. al silicio è quella riportata in fig. 5. Essa è costituita da una lastrina di silicio di tipo p di resistività circa 1 Ω cm, nella quale viene realizzata una giunzione n-p a una profondità di circa 0,3 μm. La faccia inferiore viene completamente metallizzata, mentre su quella superiore è depositato un contatto a griglia attraverso il quale passa la maggior parte della radiazione incidente; a questi due contatti ohmici vengono saldati i terminali di connessione al carico esterno.

Caratteristiche elettriche delle celle solari. - La caratteristica ideale corrente-tensione di una c.f. ha l'espressione

I = I_cc−I₀ (exp V/V_T−1) [1]

dove I_cc è la corrente dovuta all'effetto fotovoltaico quando la cella è illuminata e il termine I₀ (exp V/V_T−1) rappresenta la legge tensione-corrente del diodo p-n di cui è costituita la cella. La caratteristica della c.f. è quindi quella del diodo direttamente polarizzato, invertita e traslata di una quantità pari a I_cc.

In fig. 6 è riportata, per diverse illuminazioni E_i, la caratteristica I-V di una cella al silicio, insieme al circuito equivalente elettrico ricavato in base alla [1]. Tale circuito è costituito da un generatore di corrente I_cc in parallelo a un diodo che assorbe la corrente I_D = I₀·(exp V/V_T − 1), ove R_L è l'utilizzatore esterno.

La I_cc è la massima corrente che può essere erogata dalla cella: ciò si ha in corto circuito allorché il diodo non è attraversato da corrente e tutta quella generata fluisce nel carico esterno. A vuoto invece si ha la massima tensione V_o ai capi della cella; essa corrisponde a quella tensione che fa circolare nel diodo una corrente uguale alla I_cc sicché la corrente risultante in uscita è nulla.

Su una delle caratteristiche I-V di fig. 6 è riportato il punto corrispondente alla massima potenza in uscita P_M, data dal prodotto I_MV_M e corrispondente all'area del massimo rettangolo che può essere iscritto nella curva I-V; questo prodotto può superare l'80% del prodotto I_ccV₀; il rapporto V_MI_M/V₀I_cc è detto fattore di forma. La corrente I_cc varia linearmente con l'intensità della radiazione essendo proporzionale al numero dei fotoni al secondo che incidono sulla superficie della cella, mentre la V₀ varia molto poco con l'intensità della radiazione. Dalla [1] è possibile ricavare il valore di V₀ e si ha:

V₀ = V_T ln (I_cc/I₀ + 1)

da cui risulta che la tensione a vuoto varia secondo il logaritmo di I_cc e quindi, per quanto detto prima, secondo il logaritmo dell'intensità della radiazione incidente. Per le applicazioni pratiche le celle vengono collegate in serie per aumentare la tensione disponibile: un insieme di celle montate in serie e/o in parallelo e protette, mediante un vetro superiore e una resina posteriore, dagli agenti atmosferici prende il nome di ''modulo''.

Rendimento di conversione delle celle solari. - Il rendimento di conversione dell'energia solare in elettrica è il parametro più importante della cella fotovoltaica. Tale rendimento è definito come rapporto tra la massima potenza elettrica generata della cella e quella P_i della radiazione solare incidente:

η = V_MI_M/P_i

Il rendimento delle c.f. dipende notevolmente dal valore della E_g del semiconduttore utilizzato. Al crescere di E_g diminuisce il numero dei fotoni dello spettro solare che hanno energia a essa superiore e quindi diminuisce la I_cc, mentre aumenta la V₀, che è pari a circa la metà di E_g. Si comprende quindi come il rendimento di conversione debba presentare un massimo per un valore ben preciso di E_g. Per semplificare l'analisi di tale dipendenza si usa definire un ''rendimento limite di conversione'', calcolato supponendo nulle tutte le perdite dipendenti da fattori tecnologici e considerando solo le limitazioni dovute a fattori fisici del processo fotovoltaico.

In fig. 7 è riportato l'andamento di tale rendimento al variare di E_g per diversi valori della temperatura. Sulle curve è anche riportato il valore della banda proibita di alcuni dei più comuni semiconduttori; le linee verticali corrispondenti ai vari semiconduttori sono inclinate in quanto la banda proibita dei semiconduttori varia leggermente con la temperatura. Si può notare che il massimo del rendimento si ha per un'ampiezza della banda proibita compresa tra 1,4 e 1,8 eV e pertanto materiali come l'arseniuro di gallio (GaAs) e il tellururo di cadmio (CdTe) sono potenzialmente più promettenti del silicio.

Le realizzazioni sperimentali con i vari semiconduttori oggi disponibili hanno fornito valori effettivi di rendimento generalmente inferiori a quelli delle celle al silicio, la cui tecnologia è notevolmente più progredita di quella degli altri semiconduttori. Solo le celle ad arseniuro di gallio e alluminio presentano rendimenti più elevati, ma questo materiale, come tutti i semiconduttori composti, è molto più caro del silicio e rende il costo di tali celle proibitivo per applicazioni terrestri.

Celle ad arseniuro di gallio. - L'arseniuro di gallio (GaAs) ha un'ampiezza di banda proibita (1,4 eV) abbastanza prossima al massimo della curva del rendimento limite di fig. 7. Una proprietà importante del GaAs è il valore sempre elevato del coefficiente di assorbimento per energie dei fotoni maggiori di E_g; in conseguenza di ciò i fotoni utili vengono assorbiti in uno spessore molto ridotto di materiale; in effetti il 90% di essi viene assorbito in meno di 2 μm permettendo così un'efficace raccolta delle cariche con la giunzione posta in prossimità della superficie. Il rendimento teorico previsto per le celle a GaAs è del 28%, mentre quello osservato sperimentalmente ha raggiunto un massimo del 15%, e ciò a causa dell'elevata velocità di ricombinazione sulla superficie, superiore di più di un ordine di grandezza rispetto a quella del silicio. Nel GaAs, un elevato valore della ricombinazione superficiale è molto dannoso poiché la maggior parte delle cariche viene generata nell'immediata prossimità della superficie. La necessità di raccogliere le cariche generate prima che si ricombinino richiede una profondità di giunzione intorno a 0,1 μm, il che comporta un notevole valore della resistenza serie; le cariche generate debbono infatti percorrere il sottilissimo strato superficiale per raggiungere il contatto superiore.

Un notevole miglioramento di tali celle è stato ottenuto crescendo un sottile strato di arseniuro di gallio-alluminio (Ga_xAl_xAs) su quello superiore diffuso. L'arseniuro di gallio-alluminio è un semiconduttore con una banda proibita variabile con la percentuale di alluminio, e per x = 0,36 l'ampiezza di banda proibita è di 2,1 eV. Questo strato è quindi trasparente alla maggior parte dei fotoni in arrivo, i quali vengono assorbiti nell'arseniuro di gallio sottostante. La funzione principale dello strato di GaAlAs è di allontanare dalla zona di effettivo assorbimento delle cariche la superficie superiore della cella che è caratterizzata da un'alta velocità di ricombinazione, e di ridurre notevolmente la resistenza serie, pur con una profondità effettiva di giunzione molto piccola. Le celle così realizzate hanno presentato rendimenti più elevati di quelle a GaAs raggiungendo un massimo del 22%.

Se impiegate in sistemi a concentrazione, nei quali l'energia solare viene concentrata nel fuoco di una lente ove è posta la cella, i dispositivi a GaAlAs presentano un rendimento di conversione superiore al 25%.

L'interesse per queste celle è essenzialmente nelle applicazioni spaziali, per le quali il costo delle celle non è un fattore limitativo; in particolare le celle a GaAlAs presentano una minore degradazione del rendimento con la temperatura, rispetto alle celle al Si, a causa della maggiore banda proibita. Il rendimento delle celle al silicio in condizioni AM0 scende al 7,5% a 100°C e al 5% a 150°C, mentre quello delle celle a GaAlAs scende al 15% a 250°C e al 10% a 250°C. Questo miglior comportamento alle alte temperature è importante anche per le applicazioni terrestri a luce concentrata.

Altri tipi di celle. - Sebbene la maggior parte delle c.f. sia realizzata con giunzioni p-n, sono possibili anche altre strutture per ottenere l'effetto fotovoltaico, come per es. le celle metallo-semiconduttore, quelle a eterogiunzione e a film sottile. La cella con barriera metallosemiconduttore (barriera Schottky) utilizza la barriera di potenziale che si genera tra metallo e semiconduttore, a causa delle differenti funzioni di lavoro dei due materiali. Il diagramma a bande di energia per tale struttura è riportato in fig. 8.

Perché la cella sia efficiente occorre che lo strato di metallo sia estremamente sottile, onde risultare trasparente alla radiazione incidente; per es. uno spessore di 100 ångström di oro assorbe meno del 10% della radiazione solare. Nella regione dell'ultravioletto la risposta di tali celle è notevolmente migliore di quella delle giunzioni p-n, poiché il campo elettrico si estende fino alla superficie del semiconduttore e quindi neutralizza gli effetti negativi della ricombinazione superficiale. Generalmente le celle metallo-semiconduttore presentano un minor rendimento di conversione di quelle diffuse, essenzialmente a causa delle più basse tensioni a vuoto. In tab. 1 sono riportati i valori di alcuni parametri caratteristici di celle realizzate.

La giunzione fra due semiconduttori diversi prende il nome di eterogiunzione. Se la scelta dei materiali semiconduttori viene effettuata in modo opportuno, per es. utilizzando un semiconduttore con ampiezza di banda proibita superiore a 2 eV e l'altro di 1 eV, è possibile realizzare un efficiente dispositivo fotovoltaico. Usualmente il materiale a banda proibita maggiore (E_g1) è posto superiormente ed è trasparente alla maggior parte dei fotoni incidenti che vengono così assorbiti nel secondo materiale (E_g2), come è riportato in fig. 9. Il vantaggio di tale struttura è simile a quello delle celle a GaAlAs. Il primo materiale può essere reso di bassa resistività, per cui esso contribuisce alla riduzione della resistenza serie e migliora il fattore di forma.

In tab. 2 sono riportati i valori limiti previsti per V₀ e per il rendimento, per alcune possibili eterogiunzioni. La realizzazione di queste celle è altamente sofisticata e richiede l'uso di semiconduttori la cui tecnologia, ancora oggi, non è uscita dalla fase sperimentale.

Le celle cristalline richiedono l'impiego di una notevole quantità di materiale semiconduttore ad alta purezza; in conseguenza di ciò il costo del W_p è molto elevato e non è prevedibile che possa scendere a meno di 2 dollari/W_p. A costi così elevati l'energia elettrica prodotta non potrà mai raggiungere la competitività economica con quella che viene prodotta dagli impianti tradizionali.

Utilizzando diverse tecnologie di deposizione (evaporazione sotto vuoto, sputtering, scarica a bagliore) sono state recentemente realizzate c.f. a film sottile depositate su supporti di vetro, plastica o metallo. Lo spessore del materiale attivo è, in queste celle, generalmente inferiore al μm, sicché la quantità di materiale impiegato risulta trascurabile ai fini del costo. Le celle a film sottile consentono inoltre l'impiego di tecnologie di fotoincisione per la connessione in serie delle celle. Tra i materiali semiconduttori adoperati per realizzare celle a film sottile, quelli che finora hanno mostrato i più alti rendimenti sono il silicio amorfo (deposto per scarica a bagliore in una miscela di SiH₄ e H₂), il CuInSe₂ e il CdTe (deposti per evaporazione sotto vuoto). Queste celle presentano attualmente problemi di fotoinstabilità e rendimenti ancora modesti, se realizzate su grande area.

In tab. 3 si riportano le caratteristiche dei migliori campioni di laboratorio finora realizzati; in contrasto con i dati di tab. 3, nella produzione industriale non è stato possibile finora preparare moduli con rendimento superiore al 5%, il che rappresenta un valore troppo modesto per le applicazioni energetiche. Lo sviluppo delle celle a film sottile procede tuttavia molto rapidamente e negli anni Novanta dovrebbero essere disponibili moduli con un rendimento di conversione superiore al 10% a prezzi inferiori a 1 dollaro/W_p.

Applicazioni. - Tra le fonti energetiche rinnovabili, quella solare è una delle più importanti; si consideri infatti che l'energia totale incidente annualmente sul nostro pianeta è circa 4·10²⁴ J, molto superiore a quella consumata in un anno nel mondo, la quale, secondo recenti stime, è di circa 2,5·10²⁰ J. L'interesse per la conversione diretta dell'energia solare in elettrica mediante l'effetto fotovoltaico è legato al suo rendimento di conversione che è relativamente elevato, se confrontato con quelli di sistemi tradizionali, e all'assenza di parti in movimento, di attività chimica o termica e di residui inquinanti; inoltre i moduli di celle solari hanno una vita anche superiore ai venti anni.

Finora le c.f. hanno avuto modeste applicazioni sulla superficie terrestre, nonostante gli aspetti positivi precedentemente elencati, e ciò essenzialmente perché il loro costo è proibitivo se paragonato a quello dei sistemi tradizionali per la generazione dell'energia elettrica. Hanno invece un impiego rilevante nel settore spaziale, essendo il mezzo più semplice e affidabile per fornire energia elettrica ai satelliti e ai veicoli spaziali, tanto che sono stati lanciati più di 300 satelliti artificiali alimentati con c.f., alcuni dei quali con potenza totale installata fino a 20 kW_p.

La produzione mondiale di c.f. per impieghi spaziali si è rapidamente stabilizzata su un valore di circa 150 kW_p/anno, mentre quella per applicazione terrestre ha superato i 50 MW_p nel 1990. A questo aumento della produzione annua ha fatto seguito un miglioramento delle prestazioni da un lato, e una notevole diminuzione dei costi dall'altro. In fig. 10 è riportato l'andamento medio dei prezzi dei moduli fotovoltaici, in funzione della produzione accumulata, espressa in MW_p in valuta corrente, ed è indicata l'estrapolazione dei prezzi agli anni futuri. Si noti la loro notevole diminuzione durante i prossimi anni e l'ampliamento esponenziale del mercato che ne seguirà.

Contemporaneamente, nel settore dei sistemi, in questi ultimi anni si è passati dai piccoli alimentatori per sistemi di telecomunicazione alle grandi centrali che iniettano l'energia prodotta direttamente in rete, anche se a costi ancora non competitivi.

È stato spesso obiettato che i sistemi fotovoltaici occupano grandi superfici di territorio. Ciò non è del tutto vero: si consideri, per es., che per fornire con celle solari una potenza pari a quella massima oggi disponibile in Italia di circa 50.000 MW, occorrerebbe coprire una superficie intorno a 500 km², che è circa lo 0,1% dell'estensione dell'intero paese.

Nuovi materiali e nuove tecnologie sono stati sviluppati negli anni più recenti, aprendo alla c.f. campi di applicazione impensabili solo qualche anno fa. Tali applicazioni possono essere elencate suddividendole in ragione della potenza di picco dell'alimentatore fotovoltaico, e si ha:

a) fino a 1 W_p: calcolatrici tascabili, orologi;

b) fino a 10 W_p: elettronica di consumo, gadgets, giocattoli elettronici, carica batterie;

c) fino a 100 W_p: ripetitori televisivi, boe, segnali stradali e di pericolo, frigoriferi e TV;

d) fino a 1000 W_p: case isolate, sistemi di pompaggio dell'acqua, protezione catodica;

e) oltre 1000 W_p: villaggi isolati, sistemi connessi alla rete.

La c.f. contribuirà alla richiesta mondiale di energia elettrica quando sarà possibile realizzare sistemi connessi alla rete in grado di produrre energia elettrica a costi competitivi con quelli delle centrali tradizionali; per quanto detto prima, solo lo sviluppo delle celle a film sottile potrà consentire che ciò si verifichi a partire, probabilmente, dall'anno 2000.

Bibl.: M.A. Green, Solar cells, operating principles and technology, Englewood Cliffs 1982; F.P. Califano, G.F. Vitale, V. Silvestrini, Progettazione dei sistemi fotovoltaici, Napoli 1984; S.G. Gee, Status of concentrator collectors and high efficiency concentrator cell development, in Tech. Digest of PVSEC, Kyoto 1990; S.J. Fonach, Solar cell device physics, San Diego 1991.