Celle fotovoltaiche: cosa sono e come funzionano

Le celle fotovoltaiche sono l’elemento base per la produzione di energia elettrica. Scopri quali sono le caratteristiche e come funzionano

Le celle fotovoltaiche, dispositivi semiconduttori in grado di trasformare la luce solare in energia elettrica grazie all’effetto fotovoltaico, rappresentano l’unità fondamentale di ogni sistema fotovoltaico.

Un impianto fotovoltaico è caratterizzato da un insieme di pannelli solari, messi in serie o in parallelo; alla base di ogni pannello si trovano proprio le celle fotovoltaiche, responsabili della conversione della radiazione solare in elettricità.

Scopriamo insieme cosa sono e come funzionano gli elementi di base di un impianto fotovoltaico.

Il progetto di un impianto fotovoltaico è un’operazione molto delicata, da svolgere con particolare cura e attenzione. Per evitare di commettere errori che potrebbero costarti cari dopo la realizzazione dell’impianto, ti consiglio di affidarti ad un efficace software fotovoltaico per progettare impianti in maniera sicura e guidata.

Cosa sono le celle fotovoltaiche?

Le celle fotovoltaiche sono l’elemento base nella produzione di energia elettrica attraverso l’energia solare. Possono essere realizzate con diversi materiali, ma il semiconduttore più diffuso ed efficace è il silicio.

Il silicio ha un’importante caratteristica: basta un minimo quantitativo di energia affinché gli elettroni di valenza possano essere sfruttati per generare una corrente elettrica.

Per sfruttare questo fenomeno si ricorre al cosiddetto drogaggio, ossia l’inserimento di impurità all’interno del semiconduttore. Di solito si utilizzano boro (carica negativa) e fosforo (carica positiva), che creano una barriera nota come zona di giunzione. È proprio grazie a questa giunzione p-n che si forma il diodo, elemento indispensabile per trasformare la luce solare in energia elettrica utilizzabile.

 

Funzionamento di una cella fotovoltaica

Per verificare l’efficienza di una cella fotovoltaica, è necessario collegarla a due strumenti di misura, ossia l’amperometro, che misura la corrente elettrica e il voltmetro, che misura la tensione.

In un circuito elettrico, le due strumentazioni vengono messe in parallelo per evitare che l’amperometro misuri la resistenza elettrica presente all’interno del voltmetro stesso e garantire la misurazione della prestazione della cella indipendentemente dai sistemi esterni.

 

All’interno del circuito viene inserito anche un carico elettrico, che condiziona le prestazioni della cella: a seconda del carico variano sia l’intensità sia la tensione della corrente prodotta. In queste condizioni si distinguono due casi principali:

circuito aperto: la corrente è nulla (nessun contatto elettrico), mentre la tensione raggiunge il valore massimo che la cella può produrre (Voc – tensione di circuito aperto);
circuito chiuso: il carico è minimo e la corrente è massima (Isc – corrente di corto circuito), mentre la tensione è prossima allo zero.

La rappresentazione grafica di questi valori genera la curva caratteristica V-I (o curva voltamperometrica), dalla quale si ricavano parametri fondamentali come:

intensità di picco;
tensione di picco;
potenza di picco;
fill factor.

Un ulteriore parametro molto importante è il punto di massima potenza (MPP), che rappresenta la condizione ottimale di lavoro della cella. Negli impianti reali, il compito di inseguire continuamente questo punto è affidato agli inverter dotati di tecnologia MPPT (Maximum Power Point Tracking).

Struttura e materiali di una cella fotovoltaica

Una cella fotovoltaica è composta da più strati di materiali che, insieme, permettono di convertire la luce solare in energia elettrica:

strato anteriore trasparente: solitamente vetro temprato, protegge la cella dagli agenti atmosferici e lascia passare la radiazione solare;
strato antiriflesso: riduce la dispersione della luce, massimizzando l’assorbimento;
strato semiconduttore: generalmente silicio, è il cuore della cella. Qui avviene l’effetto fotovoltaico grazie alla giunzione p-n creata dal drogaggio;
contatti metallici: sottili griglie conduttive depositate sulla superficie frontale e posteriore, che raccolgono gli elettroni generando la corrente elettrica;
strato posteriore: spesso costituito da materiali plastici o metallici, garantisce isolamento e protezione meccanica.

Negli ultimi anni sono stati sviluppati anche nuovi materiali come le perovskiti, che promettono di aumentare l’efficienza e ridurre i costi, pur essendo ancora in fase di ricerca e sperimentazione.

Tipi di celle fotovoltaiche e le loro caratteristiche

Le celle fotovoltaiche si distinguono principalmente in base alla struttura del silicio con cui sono realizzate. Le tipologie più diffuse sono:

celle monocristalline;
celle policristalline;
celle amorfe.

Celle fotovoltaiche monocristalline

Le celle monocristalline sono costituite da un unico cristallo, orientato nella stessa direzione. Questa caratteristica consente di sfruttare al meglio l’energia solare che la cella riesce a captare. La colorazione di queste celle è tipicamente nera.

Il sistema adottato per produrre le celle monocristalline è il sistema Czochralski. Si tratta di un processo in cui un seme di cristallo viene inserito in un fuso di silicio, all’interno del quale il seme ruota verticalmente in senso antiorario e, immergendosi molto lentamente, fa sì che il fuso stesso possa cristallizzarsi in maniera ordinata sul seme che si sta immergendo.

Alla fine del processo tutti i cristalli sono orientati in maniera omogenea tanto da materializzare un unico macro cristallo e dando vita a un lingotto di silicio.

Il lingotto viene poi tagliato in wafer sottili, spessi poche centinaia di micrometri: minore è lo spessore, maggiore è l’efficienza della cella. Infine i wafer vengono opportunamente drogati (con boro o fosforo) e assemblati per formare la cella fotovoltaica.

Queste celle sono le più efficienti (15–22%) e hanno lunga durata, ma anche costi di produzione più elevati.

Celle fotovoltaiche policristalline

Le celle policristalline sono ricavate dagli scarti dell’industria elettronica; sono formate da più cristalli e la loro colorazione tipica è quella del blu cangiante.

Il raffreddamento avviene più rapidamente rispetto al monocristallino, in un bagno termostatico che cristallizza il silicio in direzioni differenti. Ciò consente un processo produttivo più veloce ed economico, ma con una resa leggermente inferiore (12–18%), a causa dell’orientamento disordinato dei cristalli.

Sono molto diffuse perché offrono un buon compromesso tra prezzo e prestazioni.

Celle fotovoltaiche amorfe (a film sottile)

Le celle fotovoltaiche amorfe presentano una struttura più caotica del silicio che, in questa configurazione, non ha più forma cristallina.

Questa caratteristica permette la realizzazione di celle a film sottile, estremamente sottili e flessibili, che possono essere applicate anche su superfici non perfettamente piane.

Il processo di creazione di cella amorfa è molto semplice: su un substrato rigido (vetro o metallo) vengono depositati con tecnologie adeguate (sputtering o evaporazione) più strati di materiale, due di questi strati (i più esterni) diventano elettrodi di conduzione, mentre lo strato interno diventa giunzione della cella fotovoltaica.

In tale processo, le tecnologie principalmente utilizzate sono la tecnologia triple junction e la tecnologia cadmio-telluride/cadmio-sulfide (CTS).

Le celle amorfe hanno efficienza più bassa (6–12%) e durata inferiore, ma sono molto versatili e trovano impiego nell’integrazione architettonica (facciate, tetti curvi, arredo urbano) e nei dispositivi portatili.

Per approfondire le differenze tra le varie tecnologie puoi consultare anche questo articolo sui tipi di impianto fotovoltaico.

Configurazioni in serie e in parallelo nei moduli fotovoltaici

Le celle fotovoltaiche sono dei diodi e si comportano come delle pile. Possono essere collegate in serie o in parallelo.

Nel collegamento in serie (positivo con negativo), le tensioni si sommano e la corrente rimane costante. La curva caratteristica mostra un incremento sull’asse delle tensioni.
Nel collegamento in parallelo (positivi con positivi e negativi con negativi), la tensione resta costante mentre aumenta la corrente. In questo caso, la curva si trasla verso l’alto.

Oltre alle configurazioni, anche le condizioni ambientali influiscono sulle prestazioni delle celle:

temperatura: se la temperatura cresce oltre certi valori, si registra un abbassamento della tensione, con conseguente perdita di efficienza. Questo è uno dei motivi per cui i moduli fotovoltaici sono testati con coefficienti di temperatura dichiarati dai produttori;
radiazione solare: al diminuire dell’irraggiamento, l’intensità di corrente si riduce sensibilmente mentre la tensione varia poco; la curva tende così ad appiattirsi.

Per progettare correttamente un impianto è quindi essenziale basarsi su dati climatici affidabili, come quelli forniti da atlanti solari o da campagne di misurazione sul campo. In questo contesto risultano utilissimi i software di progettazione fotovoltaica, che permettono di calcolare la produzione attesa tenendo conto dell’irraggiamento solare reale, disponibile nelle principali banche dati meteorologiche internazionali.

Dalla singola cella al modulo solare: come sono costruiti i pannelli

Le celle fotovoltaiche si collegano fra loro dando vita a pannelli fotovoltaici, i quali, a loro volta si collegano tra loro costituendo l’impianto fotovoltaico.

Ogni pannello è formato da decine di celle collegate elettricamente in serie e racchiuse in una struttura composta da vetro protettivo, strati incapsulanti e cornici in alluminio, che garantiscono resistenza meccanica e durata nel tempo.

In tale connessione, i pannelli possono essere disposti in diverse stringhe eventualmente collegate in parallelo fra loro. Questa configurazione consente di ottenere la tensione e la corrente necessarie per soddisfare le esigenze di progetto.

Una volta stabilita la potenza da installare, si può decidere di produrla con un numero variabile di pannelli. La scelta dipende da diversi fattori:

radiazione solare disponibile nella zona di installazione;
orientamento e inclinazione dei moduli;
spazio disponibile e vincoli architettonici.

Come le celle fotovoltaiche generano elettricità dalla luce solare

Il funzionamento delle celle fotovoltaiche si basa sul cosiddetto effetto fotovoltaico, un fenomeno fisico scoperto nell’Ottocento e oggi sfruttato per produrre energia elettrica pulita.

Quando la luce solare colpisce lo strato di silicio della cella, i fotoni trasmettono la loro energia agli elettroni presenti nel semiconduttore. Questa energia è sufficiente a liberare gli elettroni dai legami atomici, permettendo loro di muoversi.

La presenza della giunzione p-n, creata tramite drogaggio, fa sì che gli elettroni liberi vengano direzionati verso un lato della cella, mentre le lacune (cariche positive) si spostano verso l’altro. Questo movimento genera una differenza di potenziale tra i due strati.

Collegando i contatti metallici a un circuito esterno, gli elettroni possono fluire: nasce così la corrente elettrica continua.

In un impianto fotovoltaico reale, la corrente prodotta dalle celle viene poi convogliata e trasformata dall’inverter in corrente alternata, compatibile con la rete elettrica e con gli usi domestici o industriali.

L’efficienza con cui la cella converte la radiazione solare in elettricità dipende da vari fattori: qualità dei materiali, spessore del semiconduttore, temperatura di funzionamento e intensità della luce. Strumenti come il diagramma solare aiutano i progettisti a studiare l’irraggiamento disponibile e a posizionare al meglio i pannelli per massimizzarne la produzione.

Vantaggi e svantaggi delle celle fotovoltaiche

Le celle fotovoltaiche sono oggi una delle tecnologie più diffuse per la produzione di energia rinnovabile, grazie ai numerosi benefici che offrono. Tuttavia, presentano anche alcuni limiti che è importante considerare nella fase di progettazione e installazione.

Vantaggi

energia pulita e sostenibile: non producono emissioni inquinanti durante il funzionamento e contribuiscono alla riduzione dei gas serra;
risparmio economico nel tempo: l’investimento iniziale viene ripagato attraverso il risparmio in bolletta e, in alcuni casi, con incentivi e detrazioni fiscali;
bassa manutenzione: le celle fotovoltaiche non hanno parti in movimento e richiedono solo pulizie periodiche e controlli di routine;
scalabilità: è possibile installare pochi moduli per piccole esigenze o grandi impianti per produrre energia su larga scala;
integrazione architettonica: con le tecnologie a film sottile o flessibili, i moduli possono essere integrati in facciate, tetti e persino elementi urbani di design.

Svantaggi

dipendenza dalla radiazione solare: la produzione di energia varia in base alle condizioni atmosferiche e all’irraggiamento disponibile;
costo iniziale: sebbene in costante diminuzione, l’investimento iniziale può essere significativo, soprattutto per impianti di grandi dimensioni;
efficienza limitata: le celle attuali trasformano in elettricità solo una parte della radiazione solare incidente (mediamente 15–22% per i moduli in silicio cristallino);
degrado nel tempo: le prestazioni calano progressivamente con l’età dei moduli, anche se i produttori garantiscono solitamente almeno l’80% della potenza dopo 20–25 anni;
smaltimento e riciclo: i pannelli a fine vita contengono materiali che devono essere recuperati e smaltiti in modo corretto, una sfida ancora in evoluzione.

Celle fotovoltaiche flessibili e nuove tecnologie

Accanto alle soluzioni tradizionali in silicio cristallino, negli ultimi anni si sono sviluppate nuove generazioni di celle fotovoltaiche, con caratteristiche innovative e applicazioni sempre più versatili.

Celle fotovoltaiche flessibili

Queste celle utilizzano materiali sottili e leggeri, come il silicio amorfo o composti semiconduttori alternativi (ad esempio tellururo di cadmio o seleniuro di rame-indio-gallio, CIGS). La loro principale caratteristica è la flessibilità, che le rende adatte a:

superfici curve o irregolari;
applicazioni mobili (tende, camper, barche, dispositivi portatili);
integrazione architettonica innovativa, come coperture leggere o facciate trasparenti.

Hanno ancora un’efficienza più bassa rispetto alle celle in silicio cristallino, ma la ricerca punta a migliorarne le prestazioni e la durabilità.

Celle di nuova generazione

Oltre alle celle flessibili, la ricerca sta esplorando nuove tecnologie:

celle a perovskite: materiali economici, facili da produrre e con potenziale efficienza molto elevata (>25%). Attualmente sono in fase sperimentale a causa di problemi di stabilità e durata;
celle tandem: combinano più materiali (ad esempio perovskite + silicio) per catturare diverse lunghezze d’onda della luce solare, aumentando così l’efficienza;
celle organiche (OPV): realizzate con polimeri conduttivi, leggere e potenzialmente stampabili, ideali per applicazioni di design e dispositivi elettronici.

Queste innovazioni aprono la strada a un futuro in cui i pannelli solari non saranno solo elementi standardizzati, ma componenti integrabili in qualsiasi superficie o prodotto tecnologico.

Come ottimizzare la progettazione di un impianto fotovoltaico

La progettazione di un impianto fotovoltaico non si limita alla scelta delle celle o dei pannelli: richiede uno studio accurato delle condizioni climatiche, dell’orientamento, dell’inclinazione e delle esigenze energetiche dell’edificio o dell’impianto.

In questo contesto, i software di progettazione fotovoltaica diventano strumenti fondamentali. Permettono di:

calcolare la produzione energetica attesa in base ai dati reali di irraggiamento;
simulare configurazioni diverse per orientamento e inclinazione dei moduli;
individuare l’impatto di eventuali ombreggiamenti;
dimensionare correttamente inverter e sistemi di accumulo;
valutare la convenienza economica dell’intervento.

L’uso del software fotovoltaico non è soltanto un supporto tecnico, ma anche un alleato per prendere decisioni più consapevoli, ridurre i margini di errore e realizzare impianti realmente efficienti e sostenibili. Per i professionisti significa poter progettare soluzioni personalizzate, affidabili e performanti.  Con un software fotovoltaico professionale puoi progettare in modo semplice e veloce, ottimizzare le prestazioni degli impianti, ridurre i costi e offrire ai tuoi clienti soluzioni affidabili e competitive per la transizione energetica. Inoltre, un tale software dispone di specifiche librerie di moduli, inverter, batterie e componenti fotovoltaici, fondamentali per la corretta progettazione.

FAQ- Celle fotovoltaiche

Cos’è una cella fotovoltaica?

Una cella fotovoltaica è un dispositivo semiconduttore che trasforma la luce solare in energia elettrica sfruttando l’effetto fotovoltaico. Rappresenta l’unità fondamentale dei pannelli solari ed è l’elemento base di ogni impianto fotovoltaico.

Come funzionano le celle fotovoltaiche?

Il funzionamento delle celle fotovoltaiche si basa sull’effetto fotovoltaico. Quando la luce solare colpisce il silicio della cella, i fotoni trasferiscono energia agli elettroni del semiconduttore, liberandoli dai legami atomici. La presenza della giunzione p-n, creata tramite drogaggio del silicio, genera una differenza di potenziale che mette in movimento gli elettroni. Collegando i contatti metallici a un circuito esterno si genera corrente elettrica continua.

Quali sono i principali tipi di celle fotovoltaiche?

Le celle fotovoltaiche si distinguono principalmente in base alla struttura del silicio utilizzato. Le tipologie più diffuse sono:

celle monocristalline, costituite da un unico cristallo di silicio;
celle policristalline, formate da più cristalli;
celle amorfe o a film sottile, caratterizzate da una struttura non cristallina e da maggiore flessibilità.

Queste tecnologie presentano caratteristiche diverse in termini di efficienza, costo e applicazioni.

Qual è l’efficienza delle celle fotovoltaiche?

L’efficienza delle celle fotovoltaiche indica la capacità di convertire la radiazione solare in energia elettrica. Questo valore dipende da diversi fattori, tra cui la qualità dei materiali, lo spessore del semiconduttore, la temperatura di funzionamento e l’intensità della luce solare.

Le tecnologie più diffuse presentano valori di efficienza differenti:

celle monocristalline: 15–22%
celle policristalline: 12–18%
celle a film sottile: 6–12%

Le celle monocristalline sono generalmente le più efficienti, mentre le celle a film sottile hanno rendimenti inferiori ma offrono maggiore flessibilità e versatilità di applicazione.

Qual è la differenza tra cella fotovoltaica e pannello fotovoltaico?

La cella fotovoltaica è il singolo dispositivo semiconduttore che produce energia elettrica dalla luce solare. Il pannello fotovoltaico, o modulo fotovoltaico, è invece composto da un insieme di celle collegate elettricamente tra loro e racchiuse in una struttura protettiva formata da vetro, strati incapsulanti e cornice in alluminio. Più pannelli collegati tra loro costituiscono un impianto fotovoltaico.

In che modo le celle fotovoltaiche vengono collegate tra loro?

Le celle fotovoltaiche possono essere collegate in serie o in parallelo. Nel collegamento in serie le tensioni si sommano mentre la corrente rimane costante. Nel collegamento in parallelo la tensione resta costante mentre aumenta la corrente.
Queste configurazioni permettono di ottenere i valori di tensione e corrente necessari per il funzionamento dei moduli e dell’impianto fotovoltaico.

Quali fattori influenzano le prestazioni delle celle fotovoltaiche?

Le prestazioni delle celle fotovoltaiche sono influenzate principalmente da:

temperatura, che può ridurre la tensione e quindi l’efficienza della cella;
irraggiamento solare, che influisce direttamente sulla corrente prodotta;
qualità dei materiali semiconduttori e struttura della cella.

Per questo motivo, nella progettazione di un impianto fotovoltaico è importante considerare dati climatici affidabili e utilizzare strumenti di simulazione per stimare la produzione energetica.

Fonte: Read More