4.1 Introduzione:
Esistono diversi tipi di celle fotovoltaiche: il mercato propone, infatti, celle in silicio monocristallino, in silicio policristallino, in silicio amorfo e recentemente anche i primi prodotti in film sottile. Le differenze maggiori sono dovute al processo che porta alla formazione della fetta di silicio, detta “wafer”, che costituirà la struttura principale e verrà sottoposta ai successivi trattamenti chimici. Le diverse celle mostrano, in virtù delle loro peculiari caratteristiche, efficienze di conversione molto diverse.
Possiamo distinguere:
celle in silicio monocristallino: sono le più pregiate, hanno un grado di maggior purezza del materiale e garantiscono le migliori prestazioni in termini di efficienza avendo il rendimento più alto, pari al 15%. Si presentano di colore blu
vanno dagli 8 ai 12 cm di diametro e 250-350 µm di spessore. Il silicio a cristallo singolo è ottenuto da un processo detto di melting a partire da cristalli di silicio di elevata purezza che, una volta fusi, vengono fatti solidificare a contatto con un seme di cristallo. Il processo di raffreddamento porta alla formazione di un lingotto cilindrico composto da un solo cristallo del diametro di 13-20 cm e con una lunghezza che può raggiungere i 200 cm. Il lingotto viene poi tagliato in lame sottili utilizzando seghe ad alta precisione;
celle in silicio policristallino: questa tipologia di celle è stata sviluppata negli ultimi anni per riciclare il silicio di scarto dall’industria elettronica. Hanno una purezza minore rispetto ai precedenti e questa loro condizione comporta una minor efficienza visto che il loro rendimento si aggira tra l’11 e il 14%. Si presentano di un colore blu intenso cangiante dovuto alla loro struttura policristallina. Hanno forma quadrata o ottagonale e spessore analogo al precedente tipo. Il wafer multi cristallo si ottiene dalla fusione e dalla successiva ricristallizzazione del silicio di scarto: quest’ultima non avviene in maniera ordinata come accade per il silicio monocristallino, poiché dal bagno fuso si originano più cristalli che crescono contemporaneamente, fino a formare un “pane” che verrà poi tagliato in forma di parallelepipedo. L’accrescimento è più veloce di quello del silicio monocristallino e richiede anche meno energia, ed è proprio per questo motivo che il costo dei pannelli realizzati in silicio policristallino è inferiore a quello dei pannelli in monocristallo, al prezzo di un minor rendimento a parità di superficie;
tecnologia dei film sottili in silicio amorfo: differisce in maniera sostanziale dai prodotti in cristallino essendo il materiale attivo disponibile in forma di gas e depositato su diversi tipi di superfici di sostegno. La pellicola che si deposita raggiunge uno spessore di pochi micron, a differenza dei 250-350 µm delle celle in cristallo. Una tecnologia di questo genere consente interessanti applicazioni potendosi integrare laddove i più tradizionali pannelli soffrono vincoli dovuti alla loro struttura rigida; tuttavia la tecnologia del film sottile non offre le stesse garanzie di stabilità nel tempo del rendimento delle celle, anche se occorre considerare che i moduli in silicio amorfo presentano spesso caratteristiche che ne consentono usi specifici quali ad esempio l’installazione su strutture flessibili, la composizione in strutture di forma particolare o la costruzione di pannelli srotolabili;
celle a film sottile: sono composte da strati di materiale semiconduttore (non sempre è presente il silicio), depositati generalmente come miscela di gas su supporti a basso costo (vetro, polimeri, alluminio) che danno consistenza fisica alla miscela. Tra queste tecnologie si sono affermate quelle per la produzione di celle a film sottile in CDTE (telloruro di cadmio), di celle in GaAs (arseniuro di gallio) e di celle in CIS (diseliniuro doppio di rame ed iridio). Queste tecnologie consentono il deposito del materiale attivo in strati molto sottili (5-10 µm) e presentano alcune peculiarità, tra cui la possibilità ad esempio di realizzare celle
in CIS con deposito su superfici flessibili. Quando gli strati di deposizione del materiale attivo sono più d’uno, si parla di celle multigiunzione. Infatti al fine di migliorare l’efficienza delle celle si utilizzano delle composte, costituite da diversi materiali semiconduttori disposti a strati, uno sull’altro, che permettono di sfruttare le differenti porzioni dello spettro solare convertendole in elettricità. Questa configurazione, che permette di aumentare l’efficienza complessiva della cella, viene anche definita come Split Spectrum Cell o VMJ (Vertical Multijunction Cell). La ricerca attualmente è mirata anche ad esplorare metodi utili ad abbassare il costo delle celle a film sottile prodotte con materiali innovativi, attraverso la produzione di supporti-pellicola meno costosi, lo sviluppo di sistemi per il recupero dei semiconduttori a fine vita delle celle, la realizzazione di film di semiconduttori più sottili.
La tabella seguente riporta le caratteristiche principali dei vari tipi di cella fotovoltaica.
Tabella 4.1: Caratteristiche delle diverse tecnologie di celle fotovoltaiche
Le reazioni e i vantaggi del Silicio
Nel 2007, il mondo del solare fotovoltaico era caratterizzato dall’uso prevalente del silicio.
Diversi sono i motivi alla base di questa sua diffusione, ma tra i principali dobbiamo obbligatoriamente indicare quelli legati alla sua abbondanza in natura, la non tossicità, la facilità di lavorazione e il fatto che tale tecnologia sia stata interamente sviluppata dall’industria dell’elettronica. Un wafer di silicio (monocristallino o policristallino) ottenuto dagli scarti di lavorazione dell’elettronica industriale, costituisce il cuore di oltre il 90% dei moduli fotovoltaici venduti attualmente. La forte dipendenza dell’industria fotovoltaica dall’industria dei semiconduttori, per anni ha frenato massicci
del settore. Dopo un lungo periodo caratterizzato da una progressiva diminuzione del prezzo della materia prima, negli ultimi anni si è assistito ad una controtendenza caratterizzata da un aumento del costo delle celle e dei moduli fotovoltaici. Il passaggio da una produzione di cella dedicata e non più derivata, dovrebbe portare nel prossimo futuro ad un costo €/Watt concorrenziale a quello delle altre fonti rinnovabili.
L’iter di lavorazione che conduce alla trasformazione della quarzite in silicio monocristallino per l’industria fotovoltaica è schematizzato nel diagramma seguente:
SiO
2+2C → Si + 2CO
(riduzione della quarzite a Si metallurgico)