La cella solare - tipi, funzione ed efficienza

I sistemi fotovoltaici sono ora una vista comune su molti edifici e proprietà. Sono una parte importante della transizione energetica. Le celle solari sono un componente essenziale dei sistemi solari. Nel seguente articolo imparerete come funzionano, quali tipi ci sono e qual è la loro efficienza.

Come sono costruite le celle solari?

Le celle solari al silicio sono composte da tre strati. I componenti principali sono i due strati di silicio diversamente drogati: lo strato drogato n e lo strato drogato p. Il fosforo è mescolato nello strato drogato n, che lo rende negativo (ha elettroni liberi). Il boro è mescolato nello strato drogato p, che lo rende positivo (manca di elettroni). Tra i due strati c'è uno strato limite attraverso il quale le cariche rilasciate possono passare solo con l'aiuto della luce solare. In questo nucleo della cella solare, un campo elettrico è creato da movimenti di elettroni - conosciuto anche come una giunzione p-n.

Come funzionano le celle solari?

Il silicio semiconduttore utilizzato nelle celle solari reagisce ai raggi del sole, che contengono fotoni, rilasciando elettroni. I buchi caricati positivamente rimangono lì. A seconda della loro carica, gli elettroni si spostano verso l'elettrodo negativo o positivo. Mentre gli elettroni si muovono verso la parte superiore del silicio, i buchi si muovono verso il basso. Le cariche fluiscono verso l'alto attraverso gli strati metallici conduttivi e raggiungono così il consumatore che ha bisogno di energia - questo può essere illuminatori, computer o reti elettriche. Il circuito viene poi chiuso dagli elettroni che tornano indietro verso lo strato con gli elettroni mancanti.

I contatti metallici sulla parte anteriore e posteriore, che sono collegati tra loro tramite un cavo, assicurano che l'elettricità sia utilizzabile anche per i consumatori. Uno strato di contatto olistico sul retro conduce gli elettroni e li fa scorrere attraverso un cavo. Questo crea un circuito elettrico. Sulla parte anteriore, i contatti sono applicati sotto forma di una griglia sottile in modo che la luce possa cadere sulla superficie.

Quali tipi di celle solari esistono?

Le celle solari sono uno dei componenti più importanti di un sistema fotovoltaico, perché giocano un ruolo decisivo nel determinare quanto sono alti i costi iniziali del sistema PV e quanta elettricità può generare. Ci sono attualmente tre diversi tipi di celle solari che sono di interesse per gli utenti privati: Celle solari monocristalline, policristalline e a film sottile.

• Celle solari monocristalline

  Le celle solari monocristalline sono costituite da silicio monocristallino. Questo tipo di cella ha un contenuto di silicio molto alto e, con un'efficienza di circa il 20%, è la cella solare più efficace per la radiazione solare diretta. A causa della produzione complessa, tuttavia, i moduli monocristallini sono relativamente costosi.

• Celle solari policristalline

  Anche le celle solari policristalline sono fatte di silicio, anche se il silicio in questo tipo non è così puro. Dato che la produzione del modulo è meno costosa e che si producono pochi rifiuti a causa della forma quadrata della cella, le celle solari policristalline sono più economiche e anche migliori per il bilancio ambientale del sistema fotovoltaico. Sono spesso considerate le celle solari con il miglior rapporto qualità-prezzo. Tuttavia, l'efficienza di circa il 15 per cento è inferiore perché viene utilizzato meno silicio puro.

• Celle a film sottile

  Le celle a film sottile appartengono alle celle solari amorfe, cioè non cristalline. Sono anche fatti di silicio, che viene mescolato con altri materiali e depositato a vapore in uno strato molto sottile su un substrato, come il vetro. L'efficienza è solo dal cinque al sette per cento, ed è per questo che deve essere compensata da una maggiore superficie del modulo. A seconda del materiale di supporto, le celle a film sottile sono molto flessibili e possono anche essere arrotolate e piegate. Il processo di produzione è relativamente semplice, il che rende queste celle più economiche di quelle cristalline (celle a film spesso).

Qual è l'efficienza delle celle solari?

L'efficienza (rappresentata dalla lettera greca η) indica l'efficacia con cui funziona la cella solare. Si calcola dal rapporto tra l'energia elettrica emessa e l'energia luminosa incidente. Più questo valore è vicino al massimo di 1 (100 per cento), più alta è l'efficienza della cella solare. L'efficienza descrive quanto bene la cella solare utilizza l'energia disponibile come luce. Un fattore importante per l'efficienza delle celle solari è il materiale utilizzato. Attualmente, quasi tutti i moduli solari sono fatti di silicio.

Oltre alle perdite di corrente, anche la temperatura dei moduli e le frequenze elaborate dello spettro luminoso sono fattori che influenzano l'efficienza delle celle solari. Questi ultimi determinano il limite fisicamente possibile dell'efficienza del silicio monocristallino. In teoria, il 33% è possibile, ma in pratica non viene raggiunto. Una cella solare ha sempre un'efficienza più alta di un sistema fotovoltaico perché le perdite di tutti i componenti di un sistema sono incluse nell'efficienza totale. Nell'inverter, la corrente continua viene convertita in corrente alternata, che è anche associata a perdite. Inoltre, la lunghezza e le sezioni dei cavi di collegamento e i cavi lunghi per la corrente alternata riducono l'efficienza.

La somma delle perdite di un sistema può raggiungere il quattro per cento e più, il che influisce sul rendimento totale. Pertanto, quando si costruisce un sistema solare, oltre a scegliere le celle/moduli solari appropriate, è importante anche la selezione degli altri componenti. L'efficienza da sola non è decisiva per la scelta del tipo di cella solare per un sistema fotovoltaico. Dovreste considerare tutte le condizioni limite e utilizzare le celle solari che promettono la resa più efficace per voi nel complesso.