Le celle solari, o celle fotovoltaiche, sono dispositivi in grado di convertire l’energia solare direttamente in energia elettrica tramite l’effetto fotovoltaico. Questo fenomeno si verifica quando materiali semiconduttori, esposti alla luce, generano una corrente elettrica grazie al movimento degli elettroni al loro interno. Le celle solari costituiscono l’elemento di base dei pannelli fotovoltaici, che vengono utilizzati per la produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili.
Storia e sviluppo
Le prime celle fotovoltaiche furono scoperte nel 1839 dal fisico francese Edmond Becquerel, che notò che certi materiali producevano piccole quantità di corrente quando esposti alla luce. Tuttavia, solo negli anni ‘50 del XX secolo, con l’invenzione delle celle in silicio cristallino presso i Bell Labs negli Stati Uniti, il fotovoltaico trovò le prime applicazioni pratiche. Queste celle furono inizialmente utilizzate in ambito spaziale, per alimentare i satelliti artificiali. Nel tempo, le celle solari si sono diffuse in molteplici applicazioni terrestri grazie alla continua riduzione dei costi di produzione e alla maggiore efficienza.
Principio di funzionamento
Il principio base delle celle solari è l’effetto fotovoltaico, che si verifica nei materiali semiconduttori, come il silicio. Una cella solare è composta da due strati principali di silicio, uno strato di tipo n (negativo), arricchito di elettroni, e uno strato di tipo p (positivo), povero di elettroni. Quando la luce solare colpisce la cella, i fotoni (particelle di luce) trasferiscono energia agli elettroni nel materiale, inducendo un flusso di corrente elettrica che può essere utilizzato per alimentare dispositivi elettrici.
Tipologie di celle solari
Le celle solari si distinguono in diverse tipologie in base ai materiali e alle tecnologie impiegate:
- Celle al silicio cristallino: Sono le più comuni e si suddividono ulteriormente in celle monocristalline, più efficienti ma anche più costose, e celle policristalline, meno efficienti ma più economiche.
- Celle a film sottile: Realizzate con materiali diversi dal silicio, come il tellururo di cadmio (CdTe) o il diseleniuro di rame-indio-gallio (CIGS). Queste celle sono meno efficienti ma possono essere prodotte su larga scala e applicate su superfici flessibili.
- Celle a perovskite: Basate su materiali di nuova generazione, promettono alti livelli di efficienza e costi ridotti, ma devono ancora risolvere problemi di stabilità e durata nel tempo.
- Celle organiche: Utilizzano composti organici e offrono possibilità di applicazione su superfici flessibili, ma presentano efficienza e durata inferiori rispetto alle celle al silicio.
Efficienza e prestazioni
L’efficienza delle celle solari indica la percentuale di energia solare che viene trasformata in energia elettrica. Le celle di silicio monocristallino raggiungono efficienze fino al 26%, mentre le celle a film sottile hanno efficienze inferiori, generalmente tra il 10% e il 15%. L’efficienza è influenzata da fattori come la qualità del materiale, la temperatura e l’angolo di incidenza della luce.
Applicazioni
Le celle solari sono utilizzate in numerosi settori, tra cui:
- Impianti solari fotovoltaici: Sistemi installati su edifici o a terra per produrre energia elettrica destinata all’autoconsumo o alla vendita in rete.
- Elettronica portatile: Molti dispositivi come calcolatrici e piccoli elettrodomestici utilizzano celle solari per alimentarsi.
- Settore spaziale: I satelliti e le navicelle spaziali sono alimentati quasi esclusivamente da celle solari.
Sostenibilità e impatto ambientale
L’utilizzo di celle solari è considerato ecologico, poiché non emette gas serra durante l’operatività. Tuttavia, la produzione di celle fotovoltaiche può comportare l’impiego di materiali e processi inquinanti, come il silicio o il tellururo di cadmio. In risposta, l’industria sta sviluppando metodi di produzione più sostenibili e sistemi di riciclo delle celle esaurite per ridurre l’impatto ambientale.
Prospettive future
Le celle solari sono un settore in continua evoluzione grazie a nuove tecnologie come celle a perovskite e a film sottile, che potrebbero aumentare l’efficienza e ridurre i costi. Inoltre, si stanno sviluppando nuovi materiali e sistemi di accumulo energetico per migliorare l’affidabilità e l’efficacia degli impianti fotovoltaici, rendendo l’energia solare una componente sempre più rilevante nel mix energetico globale.
Celle solari di nuova generazione “drogate” all’argento
Ulteriori informazioni: SeongYeon Kim et al, Reducing carrier recombination loss by suppressing Sn loss and defect formation via Ag doping in Cu2ZnSn(S,Se)4 solar cells, Energy & Environmental Science (2024). DOI: https://dx.doi.org/10.1039/D4EE02485K
Recenti progressi nella tecnologia delle celle solari a film sottile, in particolare in quelle a base di kesterite (CZTSSe), stanno segnando un importante passo avanti verso soluzioni energetiche più efficienti e sostenibili. Un team di ricercatori ha sviluppato un innovativo metodo di drogaggio con argento (Ag), che migliora l’efficienza di queste celle e rende concreta la prospettiva di una loro commercializzazione su larga scala. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Energy & Environmental Science.
CZTSSe: celle solari ecologiche ed economiche
Le celle solari CZTSSe, che combinano rame (Cu), zinco (Zn), stagno (Sn), zolfo (S) e selenio (Se), si distinguono per la loro compatibilità ambientale, economicità e disponibilità di risorse. Rispetto alle celle convenzionali basate su silicio o metalli rari come cadmio e tellurio, le celle CZTSSe offrono una produzione sostenibile, priva di elementi tossici e basata su materiali abbondanti. Queste caratteristiche ne fanno una tecnologia altamente competitiva e promettente per applicazioni su larga scala, in grado di rispondere alla crescente domanda globale di energie rinnovabili.
La sfida dell’efficienza e il problema della ricombinazione elettrone-lacuna
Nonostante i vantaggi, le celle CZTSSe convenzionali mostrano limiti significativi in termini di efficienza, dovuti principalmente a perdite di corrente causate dalla ricombinazione tra elettroni e buchi. Questo fenomeno limita la raccolta delle cariche e rende difficile la commercializzazione delle celle. La presenza di difetti nel materiale provoca infatti una dispersione delle cariche e una riduzione dell’efficienza complessiva.
Per affrontare questo ostacolo, il team di ricerca ha ideato un metodo di drogaggio dell’argento nel precursore della cella solare. Il drogaggio è una tecnica che prevede l’introduzione di impurità in un materiale per modificarne le proprietà elettriche. In questo caso, l’argento svolge un duplice ruolo: da un lato sopprime la dispersione di stagno, dall’altro favorisce una maggiore coesione tra i materiali del precursore, facilitando la crescita dei cristalli e riducendo i difetti.
Drogaggio all’argento: effetti sul precursore e miglioramenti nelle prestazioni
Lo studio ha esaminato in dettaglio l’impatto del drogaggio di argento su diversi punti del precursore della cella solare, dimostrando che il posizionamento dell’argento influisce in modo significativo sulle proprietà dei difetti e sul comportamento di ricombinazione elettrone-lacuna. L’argento, in particolare, contribuisce a ridurre la dispersione di stagno, elemento fondamentale per la formazione di cristalli grandi e uniformi, minimizzando i difetti e potenziando le prestazioni della cella.
È emerso che un posizionamento scorretto dell’argento può compromettere la formazione della lega di zinco e rame, favorendo la creazione di agglomerati di difetti di zinco che causano un aumento delle perdite per ricombinazione. La scoperta sottolinea come il drogaggio dell’argento debba essere attentamente calibrato per massimizzare l’efficienza della cella.
Promozione della crescita cristallina e aumento della densità
Un altro aspetto cruciale evidenziato dai ricercatori è l’effetto dell’argento sulla cristallinità dello strato assorbente della cella. La formazione di un materiale liquido derivante dal drogaggio di argento favorisce una crescita cristallina uniforme e densa, migliorando la struttura delle bande energetiche e riducendo ulteriormente i difetti. Questo porta a un trasporto di carica più agevole, rendendo le celle più efficienti nel convertire la luce solare in elettricità.
Contributo dei ricercatori e implicazioni future
Il progetto è stato realizzato da Kee-jeong Yang, Dae-hwan Kim e Jin-gyu Kang della Division of Energy & Environmental Technology, DGIST, in collaborazione con il team del Prof. Kim Jun-ho dell’Università Nazionale di Incheon e con il gruppo del Prof. Koo Sang-mo del Dipartimento di Ingegneria dei Materiali Elettronici. “Abbiamo analizzato in modo sistematico l’effetto del drogaggio di argento, finora poco compreso, e abbiamo scoperto che l’argento non solo riduce la dispersione di stagno, ma migliora anche la qualità dei cristalli e sopprime i difetti”, ha spiegato Yang.
I risultati offrono una visione innovativa per la progettazione di celle solari più efficienti e aprono nuove prospettive per la produzione di celle CZTSSe di alta qualità e a basso costo. La tecnologia di drogaggio con argento potrebbe diventare un elemento chiave nello sviluppo di nuove generazioni di celle solari, rendendo l’energia rinnovabile sempre più accessibile e contribuendo alla transizione verso un futuro energetico sostenibile.