Efficienza di conversione: core business del fotovoltaico

Il fotovoltaico è uno dei business del nuovo millennio, ma i limiti e le criticità della tecnologia solare sono ancora molti.

Uno di questi riguarda l’ efficienza di conversione. Su questo aspetto la ricerca ha già fatto passi da gigante, ma molti aspetti hanno sicuramente ancora molti margini di miglioramento. Tanti passi hanno già fatto i ricercatori, ma molti ancora se ne dovranno fare per fare del fotovoltaico la reale alternativa energetica pulita del futuro. Pulita, oltre che sicura (a differenza del nucleare).

Il futuro e le prospettive del fotovoltaico dipendono e dipenderanno sempre più dall’ efficienza di conversione delle celle fotovoltaiche. Cosa è?

L’efficienza di conversione è il rapporto tra l’energia solare ricevuta (input) e l’energia elettrica generata (output).
In altre parole: quanta della luce solare che arriva sulle celle viene effettivamente convertita in elettricità pulita?

Non tutta, non il 100% dell’irradiazione solare viene commutata in elettricità. In media i migliori pannelli fotovoltaici in silicio monocristallino presenti sul mercato hanno efficienze di conversione non oltre al 20%. Cioè: solo il 20% dell’irraggiamento ricevuto viene trasformato in elettricità.

Una spiegazione un po’ più “tecnica”.

La cella, in relazione alle caratteristiche del materiale di cui è costituita (silicio cristallino, amorfo, film sottile, ecc..), può utilizzare solo una parte dell’energia della radiazione solare incidente. L’efficienza di conversione viene tecnicamente intesa come percentuale di energia luminosa trasformata in energia elettrica disponibile, è in genere compresa tra il 12% e il 20% per celle commerciali al silicio.

Queste le soluzioni commercializzate, però, ed è qui che deve puntare la ricerca sul fotovoltaico, ci sono realizzazioni speciali di laboratorio che hanno raggiunto valori di oltre il 25%, sfruttando ad esempio particolari materiali o particolari “celle fotovoltaiche a concentrazione”.

L’efficienza di conversione di una cella fotovoltaica è determinata da diversi fattori: alcuni di questi sono “fisiologici” e di tipo “fisico“, cioè correlati allo stesso meccanismo fotoelettrico (effetto fotovoltaico). Questi sono per lo più inevitabili. Altri fattori, invece, sono di tipo tecnologico e derivano dal particolare processo utilizzato per la fabbricazione del pannello fotovoltaico.

Ogni modulo fotovoltaico ha quindi proprie inefficienze, in parte fisiologiche, in parte riducibili.

A cosa è dovuta l’in-efficienza di conversione?

Dal punto di vista tecnico le cause di inefficienza sono in genere dovute al fatto che non tutti i fotoni (i raggi del sole) hanno una energia sufficiente a generare una “coppia elettrone-lacuna” e l’eccesso di energia dei fotoni non genera corrente ma viene dissipata in calore all’interno ed all’esterno della cella. Dunque il primo residuo dell’efficienza di conversione è il calore. Attenzione, però, anche il calore è energia e, come tale, può essere raccolta ed utilizzata. Ecco come aumentare, ad esempio, l’efficienza di conversione del sistema fotovoltaico: producendo energia termica e calore.

Inoltre: non tutti i fotoni penetrano all’interno della cella. Parte di questi vengono riflessi e quindi inutilizzati. C’è modo per recuperare anche questa parte di energia dispersa?

Oltre ad altri aspetti “nano-tecnici” vi è un ulteriore fattore che influenza l’efficienza di conversione: la presenza di resistenze in serie. I collegamenti tra i moduli formano le “stringhe”. Più stringhe vengono collegate in serie agli inverter di stringa ed ogni inverter è a sua volta collegato ad altri (questo nei grandi impianti).

Tutti questi collegamenti in serie ed in parallelo provocano delle dispersioni:  la corrente generata è dunque soggetta a perdite di efficienze dovute anche a questi fattori “esterni” a singoli moduli fotovoltaici.

Per fare in modo che il fotovoltaico diventerà la reale alternativa energetica del futuro l’aumento dell’efficienza di conversione dovrà diventare uno dei primi obiettivi della ricerca scientifica e tecnologica per migliorare il rapporto costo-efficienza della tecnologia fotovoltaica.