E. Becquerel osservò, per la prima volta nel 1839, che si sviluppavano deboli tensioni illuminando uno degli elettrodi di una cella elettrolitica, divenendo il primo testimone di quello che poi venne chiamato effetto fotovoltaico; ciononostante, le prime celle solari funzionanti furono realizzate da W.G. Adams e R.E. Day con un solido, il selenio, verso la fine del 1870 e la completa comprensione di tale fenomeno avvenne solo in seguito all’interpretazione quantistica dell’effetto fotoelettrico data da A. Einstein nel 1905. Perché si realizzassero i primi dispositivi fotovoltaici con rendimento di conversione significativo, si dovette comunque attendere il 1954, quando i ricercatori dei Bell Laboratories (United States), realizzarono la prima cella solare al silicio con rendimento del 6%.
La prima commercializzazione delle celle Bell, realizzate su piccola scala industriale, trovò grandissimi ostacoli a causa dei costi proibitivi; le applicazioni principali fino agli anni Settanta furono i sistemi di alimentazione elettrica per satelliti artificiali, data l’assenza di valide alternative. La corsa allo spazio di americani e sovietici e la necessità di
37 migliorare i sistemi di alimentazione elettrica dei satelliti indussero il governo statunitense a finanziare programmi di ricerca sul fotovoltaico, permettendo al contempo il sorgere di iniziative industriali specializzate. I costi delle celle solari scesero così notevolmente, rimanendo tuttavia improponibili per applicazioni diverse da quelle spaziali o militari.
L’utilizzazione di energia fotovoltaica per applicazioni terrestri fu legata allo sviluppo, all’inizio degli anni Settanta, di tecnologie con specifiche meno stringenti di quelle necessarie per le celle impiegate nelle applicazioni spaziali; in tal modo fu possibile abbassare i costi intorno ai 10-20 dollari/W, ma ancora il costo dell’energia prodotta con i moduli fotovoltaici era pari a circa 40 volte il costo dell’energia elettrica convenzionale.
Le prime produzioni per uso terrestre furono dedicate essenzialmente ad applicazioni in siti remoti o non facilmente raggiungibili dalla rete elettrica. Crebbe così un mercato dedicato all’elettrificazione di piattaforme petrolifere, all’alimentazione di sistemi anticorrosione per i pozzi petroliferi e per le condutture, e di sistemi di comunicazione o di segnalazioni marine, oltre che all’elettrificazione di villaggi rurali in paesi in via di sviluppo. Questo primo mercato terrestre favorì il sorgere delle prime iniziative industriali in varie parti del mondo, con produzioni in serie piuttosto artigianali e aziende produttrici molto piccole.
- 2.2.1 Collettori fotovoltaici
L’effetto fotovoltaico consiste nell’insorgere di una forza elettromotrice in un mezzo elettricamente eterogeneo investito da radiazioni elettromagnetiche. Il fenomeno è tipico delle giunzioni semiconduttore-metallo o semiconduttore-semiconduttore; se la giunzione è illuminata in essa si creano coppie elettrone-lacuna a spese dell’energia dei fotoni incidenti: la barriera di potenziale localizzata nella giunzione spinge le lacune verso la zona a potenziale minore e gli elettroni in verso opposto, si genera così una forza elettromotrice (dell’ordine di qualche decimo di volt) e se la giunzione fa parte di un circuito chiuso, si ha il passaggio di una corrente elettrica. Tale effetto trova applicazione nella conversione diretta (indicata come energia fotovoltaica, elettricità solare o, più brevemente, fotovoltaico) di energia luminosa solare in energia elettrica a opera di opportuni dispositivi detti celle solari: un modulo fotovoltaico tipo, formato da 36 celle, ha una superficie di circa mezzo metro quadrato ed eroga, in condizioni ottimali, circa 50 W.
38 Un metro quadrato di moduli produce una energia media giornaliera tra 0.4 e 0.6 kWh, in funzione dell'efficienza di conversione e dell'intensità della radiazione solare. La struttura di tali moduli può essere molto varia a seconda del tipo di applicazione; una prima distinzione può essere fatta tra sistemi isolati (stand-alone) e sistemi collegati alla rete (grid-connected). Nei sistemi isolati, in cui la sola energia è quella prodotta dal fotovoltaico, occorre prevedere un sistema di accumulo (batterie) che è reso necessario dal fatto che il pannello può fornire energia solo nelle ore diurne, mentre spesso la richiesta maggiore si ha durante le ore serali (illuminazione o apparecchi radio-TV); poiché l'energia prodotta dal generatore fotovoltaico è sotto forma di corrente continua (CC), qualora si debbano alimentare apparecchi che funzionino con corrente alternata (CA), è necessario introdurre nel sistema un dispositivo elettronico, detto inverter, che provvede alla conversione da CC a CA.
Nei sistemi collegati alla rete, fig. [2.2], l'inverter è sempre presente e, al contrario degli impianti stand-alone, non è previsto il sistema di accumulo, in quanto l'energia prodotta durante le ore di insolazione viene immessa nella rete, viceversa nelle ore notturne il carico locale viene alimentato dalla rete.
Figura 2.2 − Schema di un impianto fotovoltaico collegato alla rete
L’elettricità solare ha molti aspetti positivi: è a basso impatto ambientale (in quanto non produce emissioni chimiche, termiche o acustiche), è rinnovabile, è modulare, può essere utilizzata direttamente sul luogo di produzione e, non avendo parti in movimento, risulta affidabile e richiede poca manutenzione; di contro, essa è una fonte di energia costosa, intermittente, a bassa densità e il rendimento, o efficienza, di conversione della radiazione solare in energia elettrica è piuttosto modesto (di circa il 15% per le celle solari industriali), il che implica la necessità di coprire grandi superfici. Per un dispositivo a singola giunzione al silicio, il limite teorico raggiungibile con illuminazione del Sole è
39 circa del 30% (33% se si considera lo spettro AM 1.5), considerando il materiale come ideale; la migliore cella di laboratorio realizzata finora su silicio monocristallino ha un’efficienza pari al 24.7% contro un valore di poco superiore al 20% per la cella al silicio multi cristallino. Il mercato fotovoltaico, grazie soprattutto a incentivi governativi volti a favorire l’uso di fonti rinnovabili a basso impatto ambientale, è in forte crescita a partire dalla fine degli anni Novanta; tuttavia, perché questa possa diventare una fonte di energia significativa a livello mondiale, occorrono un notevole progresso tecnologico e una forte riduzione del costo, verso le quali sono rivolte le attività in corso nel mondo, in termini di ricerca e sviluppo.