Background
Le celle solari fotovoltaiche sono sottili dischi di silicio che convertono la luce solare in elettricità. Questi dischi fungono da fonti di energia per un’ampia varietà di usi, tra cui: calcolatrici e altri piccoli dispositivi; telecomunicazioni; pannelli sui tetti delle singole case; e per l’illuminazione, il pompaggio e la refrigerazione medica nei villaggi dei paesi in via di sviluppo. Le celle solari sotto forma di grandi matrici sono usate per alimentare i satelliti e, in rari casi, per fornire elettricità alle centrali elettriche.
Quando iniziò la ricerca sull’elettricità e si costruivano e si studiavano semplici batterie, la ricerca sull’elettricità solare seguì con sorprendente rapidità. Già nel 1839, Antoine-Cesar Becquerel espose una batteria chimica al sole per vederla produrre tensione. Questa prima conversione della luce solare in elettricità era efficiente all’uno per cento. Cioè, l’uno per cento della luce solare in entrata fu convertito in elettricità. Willoughby Smith nel 1873 scoprì che il selenio era sensibile alla luce; nel 1877 Adams e Day notarono che il selenio, quando esposto alla luce, produceva una corrente elettrica. Charles Fritts, negli anni 1880, usò anche il selenio rivestito d’oro per fare la prima cella solare, ancora una volta solo l’uno per cento di efficienza. Ciononostante, Fritts considerava le sue celle rivoluzionarie. Egli immaginava che l’energia solare gratuita fosse un mezzo di decentralizzazione, prevedendo che le celle solari avrebbero sostituito le centrali elettriche con residenze alimentate individualmente.
Con la spiegazione di Albert Einstein nel 1905 dell’effetto fotoelettrico – il metallo assorbe l’energia dalla luce e la trattiene fino a quando troppa luce lo colpisce – la speranza che l’elettricità solare a più alta efficienza sarebbe diventata fattibile aumentò di nuovo. Pochi progressi sono stati fatti, tuttavia, fino a quando la ricerca sui diodi e sui transistor ha fornito le conoscenze necessarie agli scienziati della Bell Gordon Pearson, Darryl Chapin e Cal Fuller per produrre una cella solare al silicio con un’efficienza del quattro per cento nel 1954.
Ulteriori lavori portarono l’efficienza della cella al 15 per cento. Le celle solari furono usate per la prima volta nella città rurale e isolata di Americus, in Georgia, come fonte di energia per un sistema di relè telefonico, dove furono usate con successo per molti anni.
Non è ancora stato sviluppato un tipo di cella solare che soddisfi completamente le esigenze energetiche domestiche, ma le celle solari hanno avuto successo nel fornire energia ai satelliti artificiali. I sistemi a combustibile e le normali batterie erano troppo pesanti in un programma in cui ogni grammo era importante. Le celle solari forniscono più energia per oncia di peso di tutte le altre fonti di energia convenzionali, e sono convenienti.
Solo pochi sistemi di energia fotovoltaica su larga scala sono stati installati. La maggior parte degli sforzi è diretta a fornire la tecnologia delle celle solari a luoghi remoti che non hanno altri mezzi di energia sofisticati. Circa 50 megawatt sono installati ogni anno, ma le celle solari forniscono solo circa. 1 per cento di tutta l’elettricità prodotta attualmente. I sostenitori dell’energia solare sostengono che la quantità di radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre ogni anno potrebbe facilmente fornire tutto il nostro fabbisogno energetico più volte, ma le celle solari hanno ancora molta strada da fare prima di realizzare il sogno di Charles Fritts di un’elettricità solare gratuita e completamente accessibile.
Materie prime
Il componente base di una cella solare è il silicio puro, che non è puro allo stato naturale.
Il modulo solare consiste nel semiconduttore di silicio circondato da materiale protettivo in un telaio di metallo. Il materiale protettivo consiste in un incapsulante di gomma siliconica trasparente o di plastica butyryl (comunemente usata nei parabrezza delle automobili) incollato intorno alle celle, che sono poi incorporate nell’acetato di etilene vinile. Una pellicola di poliestere (come mylar o tedlar) costituisce il supporto. Una copertura di vetro si trova sugli array terrestri, una copertura di plastica leggera sugli array satellitari. Le parti elettroniche sono standard e consistono principalmente di rame. Il telaio è in acciaio o in alluminio. Il silicio è usato come cemento per mettere tutto insieme.
Il processo di produzione
Purificare il silicio
- 1 Il biossido di silicio di ghiaia di quarzite o di quarzo schiacciato viene messo in un forno ad arco elettrico. Un arco di carbonio viene poi applicato per liberare l’ossigeno. I prodotti sono anidride carbonica e silicio fuso. Questo semplice processo produce silicio con l’uno per cento di impurità, utile in molte industrie ma non nell’industria delle celle solari.
- 2 Il silicio puro al 99% viene ulteriormente purificato con la tecnica della zona fluttuante. Un’asta di silicio impuro viene fatta passare attraverso una zona riscaldata più volte nella stessa direzione. Questa procedura “trascina” le impurità verso un’estremità ad ogni passaggio. Ad un punto specifico, il silicio è considerato puro, e l’estremità impura viene rimossa.
Fare il silicio a cristallo singolo
- 3 Le celle solari sono fatte da boules di silicio, strutture policristalline che hanno la struttura atomica di un singolo cristallo. Il processo più comunemente usato per creare il boule è chiamato metodo Czochralski. In questo processo, un cristallo di silicio viene immerso nel silicio policristallino fuso. Quando il cristallo seme viene ritirato e ruotato, si forma un lingotto cilindrico o “boule” di silicio. Il lingotto ritirato è insolitamente puro, perché le impurità tendono a rimanere nel liquido.
Fare i wafer di silicio
- 4 Dal boule, i wafer di silicio sono tagliati uno alla volta usando una sega circolare il cui diametro interno taglia la barra, o molti in una volta con una sega multifilo. (Una sega diamantata produce tagli larghi quanto il wafer. 5 millimetri di spessore). Solo circa la metà del silicio si perde dal boule al wafer circolare finito – di più se il wafer viene poi tagliato per essere rettangolare o esagonale. I wafer rettangolari o esagonali sono a volte usati nelle celle solari perché possono essere incastrati perfettamente, utilizzando così tutto lo spazio disponibile sulla superficie frontale della cella solare.
In seguito, un cristallo di silicio viene messo in un apparato di crescita Czochralski, dove viene immerso nel silicio policristallino fuso. Il cristallo di seme ruota mentre viene ritirato, formando un lingotto cilindrico di silicio molto puro. I wafer vengono poi tagliati dal lingotto.
Doping
- 6 Il modo tradizionale di drogare (aggiungere impurità ai) wafer di silicio con boro e fosforo è quello di introdurre una piccola quantità di boro durante il processo Czochralski nel passo #3 sopra. I wafer vengono poi sigillati schiena a schiena e messi in un forno per essere riscaldati a una temperatura leggermente inferiore al punto di fusione del silicio (2.570 gradi Fahrenheit o 1.410 gradi Celsius) in presenza di gas fosforo. Gli atomi di fosforo “scavano” nel silicio, che è più poroso perché è vicino a diventare liquido. La temperatura e il tempo dato al processo sono accuratamente controllati per garantire una giunzione uniforme di profondità adeguata.
Un modo più recente di drogare il silicio con il fosforo è quello di usare un piccolo acceleratore di particelle per sparare ioni di fosforo nel lingotto. Controllando la velocità degli ioni, è possibile controllare la loro profondità di penetrazione. Questo nuovo processo, tuttavia, non è stato generalmente accettato dai produttori commerciali.
Posizionamento dei contatti elettrici
- 7 I contatti elettrici collegano ogni cella solare all’altra e al ricevitore della corrente prodotta. I contatti devono essere molto sottili (almeno nella parte anteriore) per non bloccare la luce del sole alla cella. Metalli come palladio/argento, nichel o rame sono evaporati sotto vuoto
Questa illustrazione mostra la composizione di una tipica cella solare. Le celle sono incapsulate in acetato di etilene vinile e collocate in un telaio metallico che ha un backsheet in mylar e una copertura in vetro.attraverso un photoresist, serigrafato, o semplicemente depositato sulla parte esposta delle celle che sono state parzialmente ricoperte di cera. Tutti e tre i metodi comportano un sistema in cui la parte della cella su cui non si desidera un contatto è protetta, mentre il resto della cella è esposto al metallo.
- 8 Dopo che i contatti sono al loro posto, strisce sottili (“dita”) sono poste tra le celle. Le strisce più comunemente usate sono di rame rivestito di stagno.
Il rivestimento antiriflesso
- 9 Poiché il silicio puro è lucido, può riflettere fino al 35% della luce solare. Per ridurre la quantità di luce solare persa, un rivestimento antiriflesso viene messo sul wafer di silicio. I rivestimenti più comunemente usati sono il biossido di titanio e l’ossido di silicio, anche se ne vengono usati altri. Il materiale usato per il rivestimento viene riscaldato fino a quando le sue molecole bollono e viaggiano verso il silicio e si condensano, oppure il materiale viene sottoposto a sputtering. In questo processo, un’alta tensione fa cadere le molecole dal materiale e le deposita sul silicio all’elettrodo opposto. Un altro metodo consiste nel permettere al silicio stesso di reagire con gas contenenti ossigeno o azoto per formare biossido di silicio o nitruro di silicio. I produttori di celle solari commerciali usano il nitruro di silicio.
Incapsulando la cella
- 10 Le celle solari finite sono poi incapsulate, cioè sigillate in gomma siliconica o etilene vinil acetato. Le celle solari incapsulate sono poi collocate in un telaio di alluminio che ha un backsheet in mylar o tedlar e una copertura in vetro o plastica.
Controllo di qualità
Il controllo di qualità è importante nella produzione di celle solari perché la discrepanza nei molti processi e fattori può influenzare negativamente l’efficienza complessiva delle celle. L’obiettivo primario della ricerca è quello di trovare modi per migliorare l’efficienza di ogni cella solare per una durata maggiore. Il Low Cost Solar Array Project (iniziato dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti alla fine degli anni ’70) ha sponsorizzato la ricerca privata che mirava ad abbassare il costo delle celle solari. Il silicio stesso viene testato per la purezza, l’orientamento dei cristalli e la resistività. I produttori testano anche la presenza di ossigeno (che influisce sulla sua forza e resistenza alla deformazione) e di carbonio (che causa difetti). I dischi di silicio finiti sono ispezionati per qualsiasi danno, sfaldatura o piegatura che potrebbe essersi verificata durante la segatura, la lucidatura e l’incisione.
Durante l’intero processo di produzione dei dischi di silicio, la temperatura, la pressione, la velocità e le quantità di droganti sono continuamente monitorate. Vengono anche prese misure per assicurare che le impurità nell’aria e sulle superfici di lavoro siano mantenute al minimo.
I semiconduttori completati devono poi essere sottoposti a test elettrici per vedere che la corrente, la tensione e la resistenza di ciascuno soddisfino gli standard appropriati. Un precedente problema delle celle solari era la tendenza a smettere di funzionare quando erano parzialmente in ombra. Questo problema è stato alleviato fornendo diodi shunt che riducono tensioni pericolosamente elevate alla cella. La resistenza shunt deve poi essere testata usando giunzioni parzialmente ombreggiate.
Un importante test dei moduli solari consiste nel fornire alle celle di prova le condizioni e l’intensità della luce che incontreranno in condizioni normali e poi controllare che funzionino bene. Le celle sono anche esposte al caldo e al freddo e testate contro le vibrazioni, la torsione e la grandine.
Il test finale per i moduli solari è il test sul campo, in cui i moduli finiti vengono collocati dove verranno effettivamente utilizzati. Questo fornisce al ricercatore i dati migliori per determinare l’efficienza di una cella solare in condizioni ambientali e la durata effettiva della cella solare, i fattori più importanti di tutti.
Il futuro
Considerando lo stato attuale delle celle solari relativamente costose e inefficienti, il futuro può solo migliorare. Alcuni esperti prevedono che sarà un’industria da miliardi di dollari entro l’anno 2000. Questa previsione è supportata dall’evidenza di più sistemi fotovoltaici sui tetti che vengono sviluppati in paesi come il Giappone, la Germania e l’Italia. Piani per iniziare la produzione di celle solari sono stati stabiliti in Messico e in Cina. Allo stesso modo, l’Egitto, il Botswana e le Filippine (tutti e tre assistiti da aziende americane) stanno costruendo impianti che produrranno celle solari.
La maggior parte della ricerca attuale mira a ridurre il costo delle celle solari o ad aumentarne l’efficienza. Le innovazioni nella tecnologia delle celle solari includono lo sviluppo e la produzione di alternative più economiche alle costose celle di silicio cristallino. Queste alternative includono finestre solari che imitano la fotosintesi, e celle più piccole fatte di piccole sfere di silicio amorfo. Già il silicio amorfo e il silicio policristallino stanno guadagnando popolarità a spese del silicio a cristallo singolo. Ulteriori innovazioni includono la minimizzazione dell’ombra e la focalizzazione della luce solare attraverso lenti prismatiche. Questo comporta strati di materiali diversi (in particolare, arseniuro di gallio e silicio) che assorbono la luce a frequenze diverse, aumentando così la quantità di luce solare effettivamente utilizzata per la produzione di elettricità.
Alcuni esperti prevedono l’adattamento di case ibride, cioè case che utilizzano scaldabagni solari, riscaldamento solare passivo e celle solari per ridurre i bisogni energetici. Un altro punto di vista riguarda la navetta spaziale che mette in orbita un numero sempre maggiore di pannelli solari, un satellite a energia solare che trasmette energia alle fattorie solari terrestri, e persino una colonia spaziale che produrrà pannelli solari da usare sulla Terra.
Dove saperne di più
Libri
Bullock, Charles E. e Peter H. Grambs. Elettricità solare: Making the Sun Work for You. Monegon, Ltd., 1981.
Komp, Richard J. Pratica fotovoltaica. Aatec Publications, 1984.
Fare e usare l’elettricità dal sole. Tab Books, 1979.
Periodici
Crawford, Mark. “DOE’s Born-Again Solar Energy Plan”, Scienza. 23 marzo 1990, pp. 1403-1404.
“Aspettando l’alba”, Economist. 19 maggio 1990, pp. 95+.
Edelson, Edward. “Solar Cell Update”, Popular Science. Giugno 1992, p. 95.
Murray, Charles J. “Solar Power’s Bright Hope”, Design News. 11 marzo 1991, p. 30.
– Rose Secrest
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