Come funzionano i pannelli solari?

I pannelli solari, noti anche come pannelli fotovoltaici, sono dispositivi che sfruttano l’energia proveniente dal sole per generare elettricità pulita ed ecologica. Questi dispositivi rivestono un ruolo fondamentale nella transizione verso fonti di energia rinnovabile e sono ampiamente utilizzati per alimentare case, aziende e persino veicoli. Ma come funzionano esattamente i pannelli solari?

L’effetto fotovoltaico

Alla base del funzionamento dei pannelli solari c’è l’effetto fotovoltaico, un fenomeno fisico scoperto per la prima volta nel 1839 da Alexandre-Edmond Becquerel. Questo effetto si verifica quando i fotoni, le particelle di luce provenienti dal sole, colpiscono una superficie elettricamente conduttiva, come il silicio, il materiale più comunemente utilizzato nei pannelli solari. Quando i fotoni colpiscono il materiale, possono eccitare gli elettroni all’interno degli atomi del materiale stesso.

La base della fotovoltaica: il silicio

Il cuore dei pannelli solari è costituito da cellule fotovoltaiche, spesso chiamate semplicemente celle solari. Queste celle sono realizzate utilizzando un materiale semiconduttore, il più comune dei quali è il silicio. Per capire come funzionano le celle solari, dobbiamo prima avere una conoscenza di base sulla struttura del silicio.

Il silicio è un elemento chimico con un numero atomico di 14 e si trova abbondantemente nella crosta terrestre, principalmente sotto forma di silice o quarzo. La struttura atomica del silicio è tale che ha quattro elettroni nella sua orbita esterna. Questi elettroni sono legati a livello atomico in una disposizione cristallina tridimensionale.

Tuttavia, il silicio può essere “dopato” aggiungendo piccole quantità di altri elementi, come il fosforo o il boro, che alterano la sua conducibilità elettrica. Questo processo di doping è fondamentale per la creazione delle celle solari.

La creazione delle celle solari

Le celle solari sono costituite da uno strato di silicio dopato in modo specifico. Questo silicio è spesso molto sottile, solo alcune centinaia di micron di spessore, ma è altamente ottimizzato per assorbire la luce solare. Per ottenere questa ottimizzazione, il silicio viene sottoposto a temperature elevate, fino a 1.000°C, in un processo noto come “drogaggio” o “diffusione”. Durante questo processo, gli atomi di fosforo o boro vengono introdotti nel silicio, creando regioni con elettroni in eccesso (n-doping) e regioni con un deficit di elettroni (p-doping).

L’interfaccia tra queste regioni dà origine a un fenomeno noto come giunzione pn, che è fondamentale per il funzionamento delle celle solari. La giunzione pn è il punto in cui avviene la conversione dell’energia solare in elettricità.

Il processo di conversione fotovoltaica

Ora che abbiamo compreso la struttura delle celle solari, possiamo esaminare come avviene la conversione dell’energia solare in elettricità. Questo processo, noto come effetto fotovoltaico, è il cuore della tecnologia dei pannelli solari.

Assorbimento della luce solare: Quando la luce solare colpisce il pannello solare, essa è composta da fotoni, particelle di luce, che trasportano energia. Questi fotoni entrano nel silicio e interagiscono con gli elettroni presenti nelle regioni n e p della giunzione pn.
Generazione di coppie elettrone-lacuna: L’energia dei fotoni viene assorbita dagli elettroni nel silicio, consentendo loro di superare il divario di banda tra le regioni n e p. Questo processo genera coppie di elettroni e lacune (dove un elettrone è stato rimosso).
Movimento degli elettroni: Gli elettroni eccitati dalla luce solare iniziano a muoversi all’interno del silicio. A causa della struttura della giunzione pn, gli elettroni si spostano dalla regione n alla regione p.
Generazione di corrente continua: La separazione di cariche risultante dalla migrazione degli elettroni crea una differenza di potenziale elettrico, che genera una corrente continua (CC) attraverso il circuito elettrico collegato al pannello solare.
Produzione di elettricità: La corrente continua prodotta può essere utilizzata direttamente per alimentare apparecchiature elettriche o convertita in corrente alternata (CA) mediante un inverter per l’uso domestico o nell’industria.

Il ruolo dell’efficienza e della luce solare

L’efficienza di un pannello solare è un parametro chiave che determina quanto efficacemente può convertire la luce solare in elettricità. Maggiore è l’efficienza, maggiore è la quantità di energia prodotta per una determinata area di pannello solare.

L’efficienza dei pannelli solari può variare in base a diversi fattori, tra cui la qualità del silicio utilizzato, la progettazione del pannello stesso e la quantità di luce solare incidente. I pannelli solari sono progettati per catturare il maggior numero possibile di fotoni solari, quindi la loro angolazione e orientamento rispetto al sole possono influire sull’efficienza.

È importante notare che i pannelli solari funzionano solo quando sono esposti alla luce solare. Durante la notte o in condizioni nuvolose, la produzione di elettricità è ridotta o assente. Pertanto, per garantire un approvvigionamento continuo di elettricità, spesso si utilizzano sistemi di accumulo, come batterie, per immagazzinare l’energia prodotta durante le ore di luce per l’uso successivo.

Tipi di pannelli solari

Esistono diversi tipi di pannelli solari, ognuno con le proprie caratteristiche e vantaggi. I due tipi principali sono i pannelli solari a silicio monocristallino e i pannelli solari a silicio policristallino.

Pannelli solari a silicio monocristallino

I pannelli solari a silicio monocristallino sono noti per la loro efficienza elevata. Sono realizzati da singoli cristalli di silicio, che sono tagliati in sottili sfoglie per formare le celle fotovoltaiche. Questo processo di produzione li rende più costosi da produrre rispetto ai pannelli policristallini, ma anche più efficienti.

I pannelli monocristallini sono spesso preferiti quando lo spazio è limitato, poiché possono generare più energia in un’area più piccola. Sono ideali per l’installazione su tetti o in spazi limitati.

Pannelli solari a silicio policristallino

I pannelli solari a silicio policristallino sono realizzati da blocchi di silicio policristallino fuso insieme. Questo processo di produzione è più economico rispetto a quello dei pannelli monocristallini, ma i pannelli policristallini tendono ad avere un’efficienza leggermente inferiore.

Tuttavia, i pannelli policristallini sono ancora molto efficienti e rappresentano una scelta eccellente per progetti su larga scala, come centrali elettriche solari. Sono anche più adatti in climi dove l’efficienza leggermente inferiore è compensata dalla maggiore disponibilità di luce solare.

Futuro dell’energia solare

L’energia solare continua a crescere in popolarità e importanza, poiché il mondo cerca soluzioni sostenibili per il nostro crescente bisogno di energia. Mentre l’efficienza dei pannelli solari migliora costantemente e i costi di produzione diminuiscono, l’energia solare diventa sempre più competitiva rispetto alle fonti di energia tradizionali, come il carbone e il gas naturale.

Inoltre, la ricerca scientifica sta cercando costantemente nuove tecnologie e materiali per migliorare ulteriormente l’efficienza e la versatilità dei pannelli solari. Questi sviluppi potrebbero portare a pannelli solari ancora più efficienti e leggeri, che potrebbero essere utilizzati in una gamma ancora più ampia di applicazioni.