I pannelli fotovoltaici convertono l'energia solare in energia elettrica; esposti a una radiazione luminosa si comportano come generatori in continua e possono alimentare dispositivi elettrici ed elettronici.

Ogni pannello e composto di più moduli a loro volta formati da più celle fotovoltaiche.

Le celle sono composte da:

• un materiale semiconduttore - in genere silicio - drogato in modo da formare una giunzione PN (la parte superiore è il - ed è la zona drogata N)
• una griglia di alluminio sulla faccia esposta alla luce e uno strato di materiale conduttore sul retro, che costituiscono i contatti elettrici + e -
• uno o più strati di protezione, in plastica e/o vetro, con determinate proprietà elettriche (isolanti), meccaniche e termiche

Il funzionamento si basa sulle proprietà delle giunzioni a semiconduttore, dove due zone dello stesso materiale sono state drogate aggiungendo cariche positive (tipo P) o negative (tipo N). Le giunzioni PN sono alla base del funzionamento di tutti i componenti elettronici (diodi, transistor, ecc.); le celle fotovoltaiche presentano una singola giunzione dove le due zone hanno una grande superficie e un piccolo spessore, in modo da risultare trasparenti alla luce; il loro funzionamento somiglia a quello dei diodi (in particolare dei fotodiodi) ma con la corrente che scorre in verso contrario.

La luce - un tipo di radiazione elettromagnetica - trasporta l'energia sotto forma di fotoni; quando un fotone colpisce una giunzione PN una parte della sua energia è assorbita e usata per rompere un legame covalente e liberare cariche elettriche. Queste cariche permettono:

• la circolazione di una corrente inversa con la giunzione polarizzata inversamente (+ sul catodo); questa modalità è sfruttata nei fotodiodi, usati come fotorivelatori
• la circolazione di una corrente su un carico con una tensione positiva tra anodo e catodo; questo è il funzionamento da generatore sfruttato nei pannelli fotovoltaici

La figura seguente mostra la caratteristica tensione corrente di una giunzione PN non esposta alla luce e una colpita da una radiazione luminosa. L'effetto della radiazione è quello di spostare la caratteristica permettendo il funzionamento da generatore (zona in grigio).

La caratteristica tensione-corrente descrive il comportamento di una singola cella o di un modulo fotovoltaico. La curva riportata riprende a quella della giunzione PN nel quarto quadrante ribaltata per tenere conto del funzionamento da generatore. La caratteristica è una curva contiene tutti i possibili punti di funzionamento compresi tra due estremi, quello in cortocircuito - con tensione zero e corrente massima - e quello a vuoto, cioè senza carico, con corrente zero e tensione massima.

Il valore della tensione a vuoto di una cella è più o meno costante mentre quello della corrente di cortocircuito dipende dalla superficie della cella dall'intensità della radiazione luminosa che colpisce la cella (nel grafico sopra sono riportate due curve corrispondenti a una radiazione luminosa di 500 Watt per metro quadrato e 1000 Watt per metro quadrato).

Collegando più celle in serie si ottiene un modulo in grado generare valori di tensione più elevati per ottenere una caratteristica come quella nella figura seguente.

Allo stesso modo è possibile collegare più moduli in parallelo per ottenere valori più elevati di corrente. In definitiva assemblando opportunamente un modulo (o un pannello) è possibile ottenere una caratteristica con i valori di corrente di cortocircuito e tensione a vuoto desiderati. Bisogna però considerare che:

• il valore della tensione a vuoto cala all'aumentare della temperatura
• la corrente di cortocircuito è direttamente proporzionale all'irraggiamento, cioè dalla quantità di luce che colpisce la cella

Per questo motivo solitamente si fa riferimento alla caratteristica del pannello in condizioni standard, cioè alla temperatura di 25°C con un irraggiamento di 1000 W/m². I costruttori dichiarano le caratteristiche del pannello alle condizioni standard indicando:

• la potenza di picco Wp, cioè la potenza massima a 25°C e 1000 W/m²
• la tensione alla massima potenza V_p
• la corrente alla massima potenza I_p

La variabile principale, nelle normali condizioni di utilizzo, è l'irraggiamento. Questo dipende da:

• condizioni atmosferiche (peggiora con cielo nuvoloso, umidità, inquinamento)
• latitudine (vicino all'equatore è maggiore)
• periodo dell'anno (e naturalmente ora della giornata)
• condizioni di installazione e posizionamento (le condizioni migliori in Italia si hanno con inclinazione di 30° e orientamento verso sud)

Le principali tecnologie utilizzate per realizzare moduli fotovoltaici sono:

• silicio monocristallino (scuro)
• silicio policristallino (più chiaro)
• film (silicio amorfo)

I pannelli a silicio monocristallino sono i più costosi ma hanno un'efficienza molto alta (il rendimento nella conversione da energia luminosa a energia elettrica è intorno al 20%). Quelli a silicio policristallino sono più economici ma presentano un rendimento inferiore. La tecnologia a film ha una bassa efficienza ma è molto economica e permette di realizzare superfici flessibili di materiale fotovoltaico per installazioni particolari (ad esempio su tegole).

Osservando la caratteristica di un modulo fotovoltaico possiamo distinguere tre tratti:

• un tratto orizzontale, dove il comportamento è da generatore di corrente
• un tratto verticale, dove il comportamento è da generatore di tensione
• il ginocchio, dove il funzionamento è a potenza costante

Per sfruttare al meglio il pannello conviene lavorare nel tratto a potenza costante, in modo da convertire la massima quantità possibile di energia luminosa in energia elettrica. Per far questo la soluzione più semplice è quella di collegare al pannello una batteria con tensione pari a V_p, cioè alla tensione V_p, cioè alla tensione che corrisponde alla potenza di picco del pannello (NB tra i due va sempre posto un diodo che impedisca la circolazione di corrente dalla batteria verso il pannello).

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