Celle solari

Ora per maggiori dettagli…

Questa è un’introduzione di base alle celle solari—e se questo è tutto quello che volevi, puoi fermarti qui.Il resto di questo articolo va più in dettaglio su tipi diversi di celle solari, howpeople stanno mettendo energia solare ad uso pratico, e perché l’energia solare sta prendendo così tanto tempo tocatch su.

Quanto sono efficienti le celle solari?

Grafico: Efficienze delle celle solari a confronto: La prima cella solare raschiato in un mero 6 per cento di efficienza; quello più efficiente che è stato prodotto fino ad oggi gestito 46 per cento in condizioni di laboratorio. La maggior parte delle cellule sono tipi di prima generazione in grado di gestire circa il 15% in teoria e probabilmente l ‘ 8% in pratica.

Una regola di base della fisica chiamata legge di conservazione dell’energia dice che non possiamo creare magicamente energia o farla svanire nel nulla; tutto ciò che possiamo fare è convertirla da una forma all’altra. Ciò significa che una cella solare non può produrre più energia elettrica di quella che riceve ogni secondo come luce. In pratica,come vedremo a breve, la maggior parte delle cellule converte circa il 10-20% dell’energia che ricevono in elettricità. Un tipico, solarcell silicio a giunzione singola ha un’efficienza massima teorica di circa il 30 per cento, noto come limite theShockley-Queisser. Questo è essenzialmente perché sunlightcontains una vasta miscela di fotoni di diverse lunghezze d’onda andenergies e qualsiasi cella solare a giunzione singola sarà ottimizzato tocatch fotoni solo all’interno di una certa banda di frequenza, sprecando il resto.Alcuni dei fotoni che colpiscono una cella solare non hanno abbastanza energia per eliminare gli elettroni, quindi sono effettivamente sprecati, mentre alcuni hanno troppa energia e l’eccesso viene anche sprecato. Le cellule di laboratorio più all’avanguardia possono gestire il 46% di efficienza in condizioni assolutamente perfette utilizzando più giunzioni per catturare fotoni di diverse energie.

I pannelli solari domestici del mondo reale potrebbero raggiungere un’efficienza di circa il 15%, dando un punto percentuale qua o là, e questo è improbabile che migliori molto.Le celle solari a giunzione singola di prima generazione non si avvicineranno al 30% di efficienza del limite di Shockley-Queisser, per non parlare del record di laboratorio del 46%. Tutti i tipi di fattori del mondo reale fastidiosi mangeranno nell’efficienza nominale, compresa la costruzione dei pannelli, il modo in cui sono posizionati e angolati, se sono mai in ombra, quanto puliti li mantieni,howhot ottengono (l’aumento delle temperature tende ad abbassare la loro efficienza) e se sono ventilati (permettendo all’aria di circolare sotto)per mantenerli freschi.

Tipi di celle solari fotovoltaiche

La maggior parte delle celle solari che vedrai oggi sui tetti delle persone sono essenzialmente solo sandwich di silicio, appositamente trattati (“drogati”)per renderli migliori conduttori elettrici. Gli scienziati si riferiscono a queste celle solari classiche come prima generazione, in gran parte per differenziarle da due tecnologie diverse e più moderne conosciute come seconda e terza generazione. Allora, qual e ‘ la differenza?

Prima generazione

Foto: Una collezione colorata di celle solari di prima generazione.Foto per gentile concessione della NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Circa il 90 per cento delle celle solari del mondo sono costituiti da wafersof silicio cristallino (abbreviato c-Si), affettato da grandi lingotti,che vengono coltivati in laboratori super-pulito in un processo che cantake fino a un mese per completare. I lingotti assumono la forma di cristalli singoli (monocristallini o mono-Si) o contengono cristalli multipli (policristallini,multi-Si o poli c-Si). Le celle solari di prima generazione funzionano come we’vehown nella scatola sopra: usano un singolo, semplice giuntotra gli strati di silicio di tipo n e di tipo p, che vengono tagliati da lingotti separati. Quindi un lingotto di tipo n sarebbe fatto riscaldando pezzi di silicio con piccole quantità di fosforo, antimonio o arsenico come drogante, mentre un lingotto di tipo p userebbe il boro come drogante.Fette di silicio di tipo n e p vengono quindi fuse per rendere la giunzione. Alcuni più campane e fischietti sono aggiunti (come anantireflective il rivestimento, che migliora l’assorbimento di luce e dà celle fotovoltaiche il loro colore blu caratteristico, glasson protettivo anteriore e un appoggio di plastica, e connessioni di metallo così il canbe di cella cablato in un circuito), ma una giunzione p-n semplice è l’essenza ofmost celle solari. È più o meno come tutte le celle solari fotovoltaiche di silicio hanno lavorato dal 1954, quando gli scienziati di Bell Labspioneered la tecnologia: splendente luce solare sul silicio estratto dasand, hanno generato elettricità.

Seconda generazione

Foto: Un pannello solare a film sottile di seconda generazione.”Il film di generazione di energia è costituito da silicio amorfo, fissato a un supporto in plastica sottile, flessibile e relativamente economico (il “substrato”).Foto di Warren Gretz per gentile concessione di NREL (id immagine #6321083).

Celle solari classiche sono wafer relativamente sottili—di solito afraction di un millimetro di profondità (circa 200 micrometri, 200µm, o giù di lì).Ma sono lastre assolute rispetto alle celle di seconda generazione, popolarmente conosciute come celle solari a film sottile (TPSC) o fotovoltaico a film sottile (TFPV), che sono circa 100 volte più sottili (diversi micrometri o milionesimi di metro di profondità).Anche se la maggior parte sono ancora realizzati in silicio (una forma diversa nota come silicio amorfo, a-Si, in cui gli atomi sono disposti in modo casuale invece di ordinato con precisione in una struttura cristallina regolare), alcuni sono fatti da altri materiali, in particolare cadmio-tellururo (Cd-Te) e rame indio gallio diselenide (CIGS). Poiché sono estremamente sottili, leggere e flessibili, le celle solari di seconda generazione possono essere installate su finestre, lucernari, tegole e tutti i tipi di”substrati” (materiali di supporto), inclusi metalli, vetro e polimeri (plastica). Ciò che le cellule di seconda generazione guadagnano in flessibilità, sacrificano l’inefficienza: le celle solari classiche di prima generazione le superano ancora. Quindi, mentre una cellula di prima generazione di prim’ordine potrebbe raggiungere un’efficienza del 15-20%, il silicio amorfo fatica a superare il 7%, le migliori cellule Cd-Te a film sottile gestiscono solo circa l ‘ 11% e le cellule CIGS non fanno meglio del 7-12%. Questo è il motivo per cui, nonostante i loro vantaggi pratici, le celle di seconda generazione hanno finora avuto un impatto relativamente limitato sul mercato solare.

Terza generazione

Foto: Celle solari in plastica di terza generazione prodotte dai ricercatori del National Renewable Energy Laboratory.Foto di Jack Dempsey per gentile concessione di NREL (id immagine #6322357).

Le ultime tecnologie combinano le migliori caratteristiche di celle di prima eseconda generazione. Come le cellule di prima generazione, promettono efficienze relativamente elevate (30 percento o più). Come le celle di seconda generazione, è più probabile che siano fatte da materiali diversi dal silicio” semplice”, come il silicio amorfo, i polimeri organici (che producono fotovoltaico organico, OPV), i cristalli di perovskite e presentano più giunzioni (fatte da più strati di diversi materiali semiconduttori). Idealmente, ciò li renderebbe più economici, più efficienti e più pratici delle celle di prima o seconda generazione.Attualmente, l’efficienza record mondiale per la terza generazione solaris 28 per cento, raggiunto da una cella solare tandem perovskite-silicio nel dicembre 2018.

Quanto potere possiamo fare con le celle solari?

In teoria, una quantità enorme. Dimentichiamo le celle solari per il momentoe considera solo la luce solare pura. Fino a 1000 watt di energia solare grezza ogni metro quadrato di Terra che punta direttamente al sole (that’sthe potenza teorica della luce solare diretta a mezzogiorno in un giorno senza luce-con i raggi solari sparando perpendicolare alla superficie della Terra e dando la massima illuminazione o insolazione, come it’stechnically noto). In pratica, dopo aver corretto per l’inclinazione del pianeta e l’ora del giorno, il meglio che probabilmente otterremo è di 100-250 watt per metro quadrato nelle tipiche latitudini settentrionali(anche in una giornata senza nuvole). Ciò si traduce in circa 2-6 kWh al giorno (a seconda che tu sia in una regione settentrionale come il Canada orScotland o in qualche luogo più obbligato come l’Arizona o il Messico).Moltiplicando per un anno intero di produzione ci dà qualche parte tra 700 e 2500 kWh per metro quadrato (700-2500 unità di elettricità). Le regioni più calde hanno chiaramente un potenziale solare molto maggiore: il Medio Oriente, ad esempio, riceve circa 50-100 per cento di energia solare più utile ogni anno rispetto all’Europa.

Sfortunatamente, le celle solari tipiche sono solo circa il 15 percento efficienti, quindi possiamo catturare solo una frazione di questa energia teorica. Ecco perché i pannelli solari devono essere così grandi: l’ofpower di quantità Lei può fare è ovviamente direttamente collegato a quanta area youcan permettersi di coprire con celle. Una singola cella solare (all’incirca la dimensione di un compact disc) può generare circa 3-4, 5 watt; un tipico modulo solare costituito da una matrice di circa 40 celle (5 file di 8 celle) potrebbe produrre circa 100-300 watt; diversi pannelli solari, ciascuno realizzato da circa 3-4 moduli, potrebbero quindi generare un numero massimo assoluto di diversi kilowatt (probabilmente quanto basta per soddisfare il fabbisogno energetico di una casa).

Che dire delle fattorie solari?

Foto: Il vasto 91 ettari (225 acri) Alamosa Solar Generating Project in Colorado genera fino a 30 megawatt di energia solare utilizzando tre trucchi astuti. In primo luogo, ci sono un numero enorme di pannelli fotovoltaici (500 di loro, ogni capableof fare 60kW). Ogni pannello è montato su un gruppo rotante separato in modo che possa tracciare il Sole attraverso il cielo.E ognuno ha più lenti Fresnel montate sulla parte superiore per concentrare i raggi del Sole sulle sue celle solari.Foto di Dennis Schroeder per gentile concessione di NREL (id immagine #10895528).

Ma supponiamo di voler fare davvero grandi quantità di solarpower. Per generare tanta elettricità come una turbina eolica pesante (conuna potenza di picco di forse due o tre megawatt), è necessario about500–1000 tetti solari. E per competere con una grande centrale a carbone o nucleare (valutata nei gigawatt, il che significa migliaia di megawatt o miliardi di watt), avresti bisogno di 1000 volte di più—l’equivalente di circa 2000 turbine eoliche o forse un milione di tetti solari. (Queste comparazioni presuppongono che il nostro solare e il vento stiano producendo la massima potenza.Anche se le celle solari sono fonti di energia pulite ed efficienti,una cosa che non possono davvero pretendere di essere al momento è efficientuses di terra. Anche quelle enormi fattorie solari che ora spuntano dappertutto producono solo modeste quantità di energia (in genere circa 20 megawatt, o circa l ‘ 1% come un grande carbone da 2 gigawatt o una centrale nucleare). Il Regno Unito renewablecompany Ecotricity ha stimato che ci vogliono circa 22.000 pannelli disposti in un sito di 12 ettari (30 acri) per generare 4,2 megawatt di energia, all’incirca quanto due grandi windturbines e abbastanza per alimentare 1.200 case.

Potere alla gente

Foto: Una turbina micro-eolica e un pannello solare lavorano insieme per alimentare una banca di batterie che mantengono questo segnale di avvertimento costruzione autostrada illuminato giorno e notte. Il pannello solare è montato, rivolto verso il cielo, sul “coperchio” giallo piatto che puoi vedere solo in cima al display.

Alcune persone sono preoccupate che le fattorie solari divorino terreni necessari per l’agricoltura reale e la produzione alimentare. Preoccupante aboutland-take manca un punto cruciale se stiamo parlando di mettere solarpanels sui tetti domestici. Gli ambientalisti sosterrebbero che il vero punto dell’energia solare non è quello di creare grandi centrali solari centralizzate (così potenti utenze possono continuare a vendere elettricità a persone impotenti ad alto profitto), ma di spostare centrali elettriche centralizzate inefficienti, consentendo alle persone di prendere il potere da sole nel luogo in cui lo usano. Ciò elimina l’inefficienza della produzione di energia da combustibili fossili, l’inquinamento atmosferico e le emissioni di anidride carbonica che producono, e elimina anche l’inefficienza della trasmissione di energia dal punto di generazione al punto di utilizzo attraverso linee elettriche aeree o sotterranee. Anche se Lei deve coprire il Suo intero tetto con pannelli solari(o celle solari di film sottile laminate su tutte le Sue finestre), se Lei couldmeet il Suo intero bisogno di elettricità (o anche una grande frazione ofthem), non importa: il suo tetto è spazio solo sprecato comunque.Secondo un rapporto del 2011 dell’Associazione europea per l’industria fotovoltaica e Greenpeace, non c’è alcuna reale necessità di coprire l’agricoltura di valore con pannelli solari: circa il 40 per cento di tutti i tetti e il 15 per cento delle facciate degli edifici nei paesi dell’UE sarebbe adatto per pannelli fotovoltaici, che ammonterebbero a circa il 40 per cento della domanda totalelectricity entro il 2020.

È importante non dimenticare che il solare sposta la generazione di energia al punto di consumo energetico—e questo ha grandi vantaggi pratici. Orologi da polso a energia solare e calcolatrici teoricamente non hanno bisogno di batterie (in pratica, hanno backup della batteria) e molti di noi apprezzerebbero gli smartphone a energia solare che non hanno mai bisogno di caricare. I segnali stradali e ferroviari sono ora a volte alimentati a energia solare; i segnali di manutenzione di emergenza lampeggianti hanno spesso pannelli solari montati in modo che possano essere distribuiti anche nel più remoto dei luoghi. Nei paesi in via di sviluppo, ricchi di luce solare ma poveri di infrastrutture elettriche, i pannelli solari alimentano pompe dell’acqua,cabine telefoniche e frigoriferi negli ospedali e nelle cliniche sanitarie.

Perché l’energia solare non ha ancora preso piede?

La risposta è una miscela di fattori economici, politici e tecnologici. Dal punto di vista economico, nella maggior parte dei paesi, l’elettricità generata dai pannelli solari è ancora più costosa dell’elettricità prodotta bruciando combustibili fossili sporchi e inquinanti. Il mondo ha un enorme investimento in infrastrutture di combustibili fossili e, sebbene potenti compagnie petrolifere si siano dilettate nelle propaggini dell’energia solare, sembrano molto più interessate a prolungare la durata delle riserve esistenti di petrolio e gas con tecnologie come il fracking (fratturazione idraulica). Politicamente, petrolio, gas, e le società di carbone sono enormouslypowerful ed influente e resistono al genere di environmentalregulations che favoriscono tecnologie rinnovabili come solare ed energia eolica. Tecnologicamente, come abbiamo già visto, le celle solari sono unmanente “work in progress” e gran parte degli investimenti solari del mondo si basa ancora sulla tecnologia di prima generazione. Chissà, forse ci vorranno ancora diversi decenni prima che recenti progressi scientifici rendano il business case per il solare davvero avvincente?

Un problema con argomenti di questo tipo è che pesano solo fattori economici e tecnologici di base e non tengono conto dei costi ambientali nascosti di cose come le fuoriuscite di petrolio,l’inquinamento atmosferico, la distruzione del suolo dall’estrazione del carbone o il cambiamento climatico—e soprattutto dei costi futuri, che sono difficili o impossibili da prevedere. È perfettamente possibile che la crescente consapevolezza di questi problemi acceleri il passaggio dai combustibili fossili, anche se non ci sono ulteriori progressi tecnologici; in altre parole, potrebbe arrivare il momento in cui non possiamo più permetterci di posticipare l’adozione universale delle energie rinnovabili. In definitiva, tutti questi fattori sonointerrelati. Con una leadership politica convincente, il mondo potrebbe impegnarsi a una rivoluzione solare domani: la politica potrebbe forzare miglioramenti tecnologici che cambiano l’economia dell’energia solare.

E l’economia da sola potrebbe essere sufficiente. Il ritmo della tecnologia, le innovazioni nella produzione e le economie di scala continuano a ridurre il costo delle celle e dei pannelli solari. Tra il 2008 e il 2009 da solo, secondo la BBC ambiente analystRoger Harrabin,i prezzi sono scesi di circa il 30 per cento, e la crescente dominanza della Cina di produzione solare ha continuato a spingerli verso il basso da allora.Tra il 2010 e il 2016, il costo del fotovoltaico su larga scala è calato di circa il 10-15% all’anno, secondo l’US Energy Information Administration; nel complesso, il prezzo del passaggio al solare è crollato di circa il 90% nell’ultimo decennio, cementando ulteriormente la presa della Cina sul mercato. Sei dei primi dieci produttori di energia solare al mondo sono ora cinesi; nel 2016, circa due terzi della nuova capacità solare degli Stati Uniti provenivano da Cina, Malesia e Corea del Sud.

Foto: Celle solari non sono l’unico modo per rendere il potere dalla luce solare—o anche,necessariamente, il modo migliore. Possiamo anche utilizzare energia solare termica (assorbendo calore dalla luce solare per riscaldare l’acqua nella vostra casa), solare passivo (progettazione di un edificio per assorbire la luce solare), e collettori solari (mostrato qui). In questa versione, 16 specchiiraccogliere la luce solare e concentrarla su un motore Stirling(la scatola grigia a destra), che è un produttore di energia estremamente efficiente. Foto di Warren Gretz per gentile concessione di NREL (id immagine #6323238).

Recuperare velocemente?

Si prevede che il punto di svolta per il solare arrivi quando può raggiungere qualcosa chiamato grid parity, il che significa che l’elettricità generata dal solare che fai diventa economica come la potenza che acquisti dalla rete. Molti paesi europei prevedono di raggiungere tale traguardo entro il 2020. Il solare ha certamente registrato tassi di crescita molto impressionanti negli ultimi anni, ma è importante ricordare che rappresenta ancora solo una frazione dell’energia mondiale totale. Nel Regno Unito, ad esempio, l’industria solare si è vantata di un”traguardo” nel 2014, quando ha quasi raddoppiato la capacità totale installata dei pannelli solari da circa 2,8 GW a 5 GW. Ma questo rappresenta ancora solo un paio di grandi centrali elettriche e, al massimo della produzione, un mero 8 per cento della domanda di elettricità totale del Regno Unito di circa 60 GW (factoring in cose come la confusione ridurrebbe a qualche frazione di 8 per cento).

Secondo la US Energy Information Administration,negli Stati Uniti, dove è stata inventata la tecnologia fotovoltaica, a partire dal 2018, il solare rappresenta solo l ‘ 1,6% della produzione totale di elettricità del paese.Questo è circa il 23% in più rispetto al 2017 (quando il solare era dell ‘1,3%), l’ 80% in più rispetto al 2016 (quando la cifra era dello 0,9%) e circa quattro volte tanto rispetto al 2014 (quando il solare era solo dello 0,4%).Anche così, è ancora circa 20 volte meno del carbonee 40 volte meno di tutti i combustibili fossili. In altre parole, anche un aumento di 10 volte negli Stati Uniti solare wouldsee che produce non molto più della metà di energia elettrica come il carbone fa oggi (10 × 1.6 = 16 per cento, rispetto al 27.4 per cento per il carbone nel 2018). È importante notare che due delle principali revisioni annuali dell’energia del mondo, la BP Statistical Review of World Energy e le principali statistiche mondiali sull’energia dell’Agenzia internazionale per l’energia, menzionano a malapena solarpower, tranne che come nota a piè di pagina.

Grafico: L’energia solare sta facendo più della nostra elettricità ogni anno, ma ancora in nessun posto nearas quanto il carbone. Questo grafico confronta la percentuale di elettricità generata negli Stati Uniti da solarpower (linea verde) e carbone (linea rossa). La situazione è migliore di questa in alcuni paesi e peggiore in altri.Disegnato da explainthatstuff.com utilizzando i dati storici e attuali da US Energy Information Administration.

Cambierà presto? Potrebbe e basta. Secondo un documento del 2016 dei ricercatori dell’Università di Oxford, il costo del solare sta diminuendo così velocemente che è in corso per fornire il 20 percento del fabbisogno energetico mondiale entro il 2027,il che sarebbe un cambiamento di passo da dove siamo oggi e un tasso di crescita molto più veloce di chiunque abbia precedentemente previsto. Questo ritmo di crescita può continuare? Il solare potrebbe davvero fare la differenza per il cambiamento climatico prima che sia troppo tardi? Guarda questo spazio!

Una breve storia delle celle solari

• 1839: Il fisico francese Alexandre-Edmond Becquerel (padre del pioniere della radioattività Henri Becquerel) scopre che alcuni metalli sono fotoelettrici: producono elettricità se esposti alla luce.
• 1873: L’ingegnere inglese Willoughby Smith scopre che il selenio è un fotoconduttore particolarmente efficace (è poi usato da Chester Carlson nella sua invenzione della fotocopiatrice).
• 1905: Il fisico di origine tedesca Albert Einstein scopre la fisica dell’effetto fotoelettrico, una scoperta che alla fine gli vale un premio Nobel.
• 1916: Il fisico americano Robert Millikan dimostra sperimentalmente la teoria di Einstein.
• 1940: Russell Ohl di Bell Labs scopre accidentalmente che un semiconduttore a giunzione drogato produrrà una corrente elettrica quando esposto alla luce.
• 1954: I ricercatori di Bell Labs Daryl Chapin, Calvin Fuller, e Gerald Pearson rendono la prima cella solare fotovoltaica al silicio pratico, che è di circa il 6 per cento efficiente (una versione successiva gestisce l ‘ 11 per cento). Annunciano la loro invenzione—inizialmente chiamata “batteria solare” – il 25 aprile.
• 1958: I satelliti spaziali Vanguard, Explorer e Sputnik iniziano a utilizzare celle solari.
• 1962: 3600 delle batterie solari Bell vengono utilizzate per alimentare Telstar, il satellite pionieristico per le telecomunicazioni.
• 1997: Il governo federale degli Stati Uniti annuncia la sua iniziativa Million Solar Roofs—per costruire un milione di tetti a energia solare entro il 2010.
• 2002: La NASA lancia il suo piano solare Pathfinder Plus.
• 2009: Gli scienziati scoprono che i cristalli di perovskite hanno un grande potenziale come materiali fotovoltaici di terza generazione.
• 2014: Una collaborazione tra scienziati tedeschi e francesi produce un nuovo record di efficienza del 46 per cento per una cella solare a quattro giunzione.
• 2020: si prevede che le celle solari raggiungano la grid parity(l’elettricità generata dal solare che fai da te sarà economica quanto l’energia che acquisti dalla rete).
• 2020: le celle di silicio perovskite promettono un grande aumento dell’efficienza solare.