Come funzionano i pannelli solari: una semplice spiegazione

come funzionano i pannelli solari intestazioneVibe Images / Shutterstock Electricity ci circonda. Sia nelle reti dei cavi elettrici che ricoprono ogni nazione sviluppata, sia nelle correnti che attraversano il flusso sanguigno umano per far battere il cuore, l'elettricità guida le nostre vite. Ha alimentato i grandi progressi del secolo scorso e la fame di ulteriori - e più efficienti - mezzi per generare elettricità è in continua crescita.

Generare l'enorme potenza che alimenta il globo non è un compito da poco, soprattutto considerando che richiede un consumo famelico di risorse come carbone e gas. Le risorse naturali, tuttavia, sono limitate e i processi di estrazione e utilizzo sono spesso distruttivi. Man mano che la tecnologia avanza e la popolazione mondiale cresce, l'energia pulita e rinnovabile diventerà il Santo Graal. Le vie della ricerca sulle energie rinnovabili includono metodi come la fusione fredda, ma per il momento si tratta di sogni irrealizzabili. Esiste, tuttavia, una grande e terribile fonte di energia che, se non illimitata, durerà probabilmente miliardi di anni. La fonte di cui parliamo è il sole; il cuore del sistema solare e la più abbondante fonte di energia alla nostra portata.

Le culture antiche spesso veneravano il sole come un dio, sia per il suo aspetto accecante che per la capacità di far crescere i raccolti. Mentre l'adorazione di Aton e Helios potrebbe essere estinta, il sole continua ad esercitare un'influenza primaria sul nostro pianeta, sia alimentando la crescita di interi ecosistemi o uccidendoli con la siccità. Ora, con i recenti sviluppi tecnologici, il sole potrebbe persino fornirci una potenza illimitata in futuro. 

Il processo di conversione della luce in elettricità è noto come "fotovoltaico". La parola fotovoltaico deriva dal greco “phos” (luce) e dal termine volt, unità di misura della forza elettromotrice. Le celle fotovoltaiche sono dispositivi costruiti per catturare la luce solare e convertirla in elettricità utilizzabile. I pannelli solari, le grandi superfici che raccolgono la luce solare e la convertono in energia elettrica, costituiti da tante celle fotovoltaiche che svolgono il processo di generazione di una carica elettrica dalla luce solare.

Semiconduttori: doping senza scandalo

Una cella solare è realizzata in materiale semiconduttivo, come il silicio. I semiconduttori si trovano tra conduttori e isolanti in termini di capacità di passaggio dell'elettricità, da cui il nome. Il silicio, sebbene di per sé un conduttore relativamente scadente, presenta una struttura cristallina che lo rende adatto per la costruzione di semiconduttori. Poiché il guscio esterno di un atomo di silicio è pieno solo per metà di elettroni, si legherà fortemente con altri atomi mentre cerca di riempire il suo guscio.

Per rendere il silicio più conduttivo, è possibile conferirgli delle “impurità” combinandolo con altri elementi. Questo è un processo chiamato "drogaggio" e il silicio drogato con impurità consente un movimento più libero degli elettroni. Con un semiconduttore di silicio, ci sono due parti, ciascuna drogata con un materiale diverso. Il primo è drogato con fosforo, che possiede cinque atomi nel suo guscio. Quando si lega al silicio, lascia un atomo non legato. Poiché questo elettrone è tenuto in posizione solo dal nucleo, ci vuole meno energia per liberarlo. Questo produce silicio di tipo N (negativo).

Il silicio può anche essere drogato con boro, che ha solo tre elettroni nel suo guscio. Questo produce silicio di tipo P (positivo), che offre buchi che gli elettroni liberi possono quindi riempire.

Quando l'energia colpisce il silicio, può liberare gli elettroni in più nel lato N e si sposteranno per riempire i buchi nel lato P. Successivamente, gli elettroni del tipo N e del tipo P si uniscono e formano un campo elettrico. La cella solare diventa un diodo, consentendo agli elettroni di spostarsi da P a N, ma non viceversa.

La luce solare colpisce il silicio, facendo cadere gli elettroni liberi sul lato N, che poi si spostano per riempire i buchi nel lato P. La luce solare colpisce il silicio, facendo cadere gli elettroni liberi sul lato N, che poi si spostano per riempire i buchi nel lato P.

Naturalmente, questo processo richiede energia per colpire la cella di silicio. È qui che entra in gioco la luce solare. La luce solare è composta da fotoni, piccole particelle di energia che possono colpire la cella solare e sciogliere gli elettroni sul lato N. L'elettrone libero fluisce da N a P, creando una corrente elettrica mentre passano.

Una volta creato il campo elettrico, non resta che metterlo in funzione. Un inverter di potenza è spesso collegato alla cella solare, o più comunemente un gruppo di celle denominato modulo, e convertirà l'elettricità da corrente continua (CC) a corrente alternata (CA), rendendola pronta per essere trasportata nelle case o aziende.

Inefficienze e ricerca attuale

Nonostante il potere illimitato (a tutti gli effetti) del sole, la tecnologia per convertirlo in elettricità utilizzabile è ancora piuttosto inefficiente. Non tutta l'energia della luce solare viene assorbita da un pannello solare. In effetti, la maggior parte è andata persa. In generale, le migliori celle solari convertiranno solo il 25 percento dell'energia che ricevono in elettricità. Questo perché la luce solare, come tutta la luce, è composta da uno spettro di diverse lunghezze d'onda, ciascuna con il proprio livello di intensità. Alcune lunghezze d'onda saranno troppo deboli per liberare gli elettroni. Altre lunghezze d'onda saranno troppo forti perché il silicio possa utilizzare tutta la loro energia.

Inoltre, i pannelli solari richiedono un posizionamento molto specifico. L'angolazione dei pannelli deve essere giusta per catturare la massima quantità di luce solare e, come ci si potrebbe aspettare, i pannelli saranno utili solo nelle aree che ricevono molto sole. Il tempo inclemente può trasformare una serie di pannelli in un'installazione artistica molto costosa e non del tutto interessante.

La ricerca su pannelli solari più efficienti è in corso. Le celle solari a film sottile, prodotte in cadmio, sono più sottili delle celle al silicio e assorbono meglio l'energia solare. Attualmente sono anche peggio nel convertire quell'energia in elettricità, tuttavia, il loro basso costo e le dimensioni convenienti li rendono una strada interessante per ulteriori ricerche.

L'altro grande sviluppo è "silicio nero", che suona come un MacGuffin da una storia fantasy, ma è davvero abbastanza innocuo nonostante il nome minaccioso. Il silicio nero è semplicemente silicio che è stato trattato per avere una superficie nera. Questo è importante perché gli oggetti neri assorbono più luce. Un breve aggiornamento sulla fisica: la luce visibile è suddivisa in diverse lunghezze d'onda, ciascuna vista come una gamma di colori. Percepiamo gli oggetti come aventi un colore particolare perché riflettono quella particolare lunghezza d'onda mentre assorbono gli altri. Gli oggetti neri assorbono tutti i colori, non riflettendone nessuno, quindi appaiono neri.

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Il silicio nero ha un grande potenziale per rendere le celle solari più assorbenti, specialmente nelle aree in cui la luce solare è scarsa o dove il sole colpisce tipicamente con un angolo basso. Il grande svantaggio al momento è che il processo di creazione del silicio nero gli conferisce una superficie maggiore, portando ad un aumento della ricombinazione del vettore, un evento in cui un elettrone liberato si ricombina semplicemente con la cella di silicio piuttosto che viaggiare per unirsi a un atomo diverso e producendo una corrente elettrica.  

A parte i difetti, la ricerca sul silicio nero è in corso e recentemente scienziati in Finlandia sono riusciti a ridurre i casi di ricombinazione del vettore, aumentando così la conversione di energia al 22,1 percento. Non è così buono come il tipico silicio, ma comunque un miglioramento promettente.