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L'Efficienza dei pannelli fotovoltaici a concentrazione ha raggiunto valori inimmaginabili fino a pochi anni fa. Il nuovo record siglato dall'istituto di ricerca tedesco vale 41,4%.

 

Fotovoltaico a Concentrazione

Il nuovo record di efficienza del fotovoltaico a concentrazione del 41,4% è stato raggiunto grazie ad una cella a quattro giunzioni della dimensione di 122 cm2, montata con lenti acromatiche. Per capire quanto sia importante il risultato raggiunto basta confrontare questo valore con il fotovoltaico tradizionale che ha efficienze di conversione di poco superiore al 20%, come abbiamo raccontato nell'articolo Come scegliere il fotovoltaico: monocristallino, policristallino o amorfo?

 

Ma in cosa differisce il fotovoltaico a concentrazione rispetto a quello tradizionale per raggiungere risultati così differenti?

 

 

 

 

§ Per cominciare: cosa sono e a che servono le giunzioni?

 

Una cella fotovoltaica tradizionale è costituita da due strati di silicio (materiale semiconduttore) sovrapposti, che creano una giunzione. Ciascuno di questi due strati è stato drogato (leggi: gli è stato aggiunto) con piccole quantità di boro e fosforo, rispettivamente. La giunzione così creata, è capace di innescare il passaggio di corrente elettrica tra i due strati del silicio se illuminato dalla luce solare. Questo fenomeno prende il nome di effetto fotovoltaico.

 

Senza entrare nel dettaglio del suo funzionamento, a noi serve fissare questi punti:

 

  • La struttura della cella fotovoltaica a singola giunzione è in grado di captare la luce solare e trasformarla in corrente elettrica grazie all'effetto fotovoltaico.
  • Di tutta la luce solare incidente sulla cella fotovoltaica soltanto una parte può essere convertita in corrente elettrica.
  • Da questa conversione dipende l'efficienza della cella fotovoltaica.

 

Ora, accade questo:

 

spettro luce assorbita dalla cella fotovoltaicala luce solare è costituita da uno spettro di onde elettromagnetiche, cioè un'insieme di onde di diverse frequenza e lunghezza d'onda, tra le quali rientra la banda del visibile, quella degli ultravioletti e quella dei raggi infrarossi. La maggior parte dell'energia contenuta nella luce solare si concentra nella banda del visibile, e con porzioni differenti nelle altre zone dello spettro.

 

 

La giunzione degli strati di silicio che costituisce la cella fotovoltaica è sensibile solo ad una certa banda dello spettro della luce solare. Cioè di tutta l'energia incidente sulla cella solo una parte viene convertita in energia elettrica grazie all'effetto fotovoltaico, tutta l'energia contenuta nelle altre zone dello spettro viene dispersa.

 

Per fare un paragone, avere una sola giunzione è un po' come dover raccogliere la pioggia (la luce del sole) e avere a disposizione un solo secchio (una cella fotovoltaica ad una sola giunzione).

 

 

 

§ La cella a quattro giunzioni, ovvero come raccogliere tutta l'energia disponibile nello spettro

 

Cella multigiunzione schemaLo sforzo dei ricercatori è da premiare, perché avere realizzato una cella a quattro giunzioni significa essere riusciti ad aggiungere altri tre secchi capaci di raccogliere l'energia solare nelle altre zone dello spettro, come negli ultravioletti e negli infrarossi, incrementando l'efficienza.

La grande efficienza raggiunta significa che del 100% dell'energia solare contenuta nello spettro, la cella multigiunzione riesce a raccoglierne il 41,4%; che è davvero tanto, specie se consideri che con il silicio amorfo si raccoglie al più l'8%, mentre con quello monocristallino al più il 22%.

Uno dei vantaggi più grandi del fotovoltaico a concentrazione è il minor utilizzo di materiale. Infatti, la cella occupa uno spazio più contenuto perché la luce viene concentrata grazie alle lenti. Il principio di funzionamento delle celle a concentrazione è del tutto analogo a quello delle lenti di ingrandimento:

 

Ti sarà capitato di giocare a concentrare i raggi del sole con l'aiuto di una lente di ingrandimento. La potenza della luce concentrata incide su un'area più ristretta, con una intensità decisamente superiore rispetto alla luce naturale.

 

Il fatto che la luce sia concentrata in uno spazio inferiore consente un impiego di meno materiale, con un significativo risparmioIl fotovoltaico a concentrazione, però, richiede un sistema meccanico di inseguimento dei raggi solari, per ottimizzare la concentrazione della luce. Questa necessità complica la struttura dell'impianto, ma ne aumenta l'efficienza.

 

 

§ Il futuro del fotovoltaico è a concentrazione? 

 

A giudicare dai risultati ottenuti grazie a questa tecnica, è possibile che la sua diffusione aumenti nei prossimi anni; anche se la complicazione della struttura di inseguimento e la necessità di accoppiare le celle alla parte ottica delle lenti a concentrazione, potrebbero scoraggiare. Forse la tecnologia troverà spazio, almeno inizialmente, per applicazioni di nicchia, in contesti dove prevale l'insolazione diretta durante tutto il corso dell'anno, che giustifichino un investimento di questo tipo.

Al di là dei risvolti pratici, il risultato raggiunto a proposito dell'efficienza costituisce una pietra miliare per il fotovoltaico a concentrazione, e in generale per questo tipo di tecnologia, perché significa avere spinto sempre più verso il fondo scala le prestazioni di questi dispositivi.