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MANUALI TECNICI

PANNELLI FOTOVOLTAICI

 

Le celle fotovoltaiche che formano il pannello fotovoltaico possono essere di tipo:

• Monocristallino: la cella fotovoltaica è di colore blu scuro e ha i bordi smussati, ed è costituita da cristalli di silicio monocristallinotutti orientati nella stessa direzione. Per questo motivo la produzione di energia è maggiore quando i raggi del sole sono perpendicolari, avendo bisogno di una superficie inferiore per produrre la stessa quantità di energia degli altri sistemi.

 

• Policristallino: le celle, di un colore blu vivo, sono costituite da silicio policristallino orientate in modo casuale, questo fa sì che la resa sia meno efficacie rispetto al mono, ma sfruttano meglio i raggi solari nell’arco della giornata.

• Silicio Amorfo: le celle con silicio amorfo è la tecnologia fotovoltaica con il minor impatto ambientale in fase di produzione, dovuto al processo produttivo dove si utilizzano limitate quantità di silicio. Il modulo in Silicio Amorfo non è paragonabile, in senso estetico, a quelli in Policristallinoo Monocristallino in quanto il silicio viene depositato in modo uniforme e in pochissima quantità (lo spessore è di qualche millesimo di millimetro) su una superficie di plastica o su vetrate, anche se, a parità di potenza nominale, si deve usare più moduli, in quanto hanno un rendimento più basso: circa il 9% mentre gli altri vanno dal 15% al 20%. Sono disponibili nella tradizionale struttura rigida, o in rotoli flessibili. Questa tecnologia è consigliata dove si predilige l’estetica alla produzione di energia, e sono poco sensibili alle ombre.

 

• Silicio amorfo con leghe di CIGS o CUdTe: le celle sono costituite da un materiale semiconduttore composito a banda proibita diretta (vedi glossario), chiamato appunto CIGS(Copper Indium Gallium (di) Selenide; ossia: (di) seleniuro di rame indio gallio). Poiché il materiale ha un elevato potere di assorbimento della luce solare, è sufficiente una pellicola (film) molto più sottile rispetto ad altri materiali semiconduttori. Lo spessore dei Cigs varia da pochi nanometri (nm) a decine di micrometri (micron), molto più sottile rispetto a quella convenzionale di prima generazione con celle a silicio cristallino (c-Si), che utilizza wafer fino a 200-300 micron. Questo permette alle celle a film sottile di essere flessibili, come un foglio di carta. Si piegano, avvolgono qualsiasi elemento e si trasportano con molta facilità. Quindi pesano di meno e hanno meno resistenza o attrito. Vengono utilizzate nella realizzazione di impianti fotovoltaici integrati, nei tetti con tegole fotovoltaiche, nei lastrici e come cella semi-trasparente per essere inserita nelle vetrate delle case.  Anche questi moduli hanno un rendimento più basso: circa il 10%.

• I pannelli fotovoltaici bifacciali sono progettati per catturare la luce solare da entrambi i lati della cella fotovoltaica, aumentando così la quantità di energia prodotta rispetto ai pannelli tradizionali. Questo è possibile grazie alla struttura del modulo, che non ha uno strato di materiale plastico sul retro ma utilizza vetri trasparenti su entrambi i lati. Questa configurazione consente alla luce di penetrare e riflettersi sulla superficie inferiore, aumentando l’efficienza del modulo. Un fattore importante per il funzionamento di questi pannelli è la superficie su cui vengono installati i moduli: il cosiddetto Fattore di Albedo (vedi pag.18). Superfici con un alto fattore di albedo, come neve, ghiaccio, o superfici chiare di edifici, possono riflettere più luce e migliorare notevolmente la produzione di energia dei pannelli bifacciali. I pannelli fotovoltaici bifacciali funzionano assorbendo la luce solare da entrambi i lati della cella fotovoltaica, aumentando così la produzione di energia.

L’efficienza di questi moduli dipende da diversi fattori:

• Distanza dal suolo: una maggiore distanza dal suolo permette una migliore captazione della luce riflessa;
• Inclinazione: l’inclinazione ottimale per massimizzare la radiazione riflessa è di circa 25°, ideale per installazioni su superfici piane o a terra;
• Albedo del suolo: superfici con alta capacità riflettente, come cemento chiaro o ghiaccio, possono aumentare significativamente l’efficienza del pannello che può arrivare fino al 7 / 10 % in più rispetto ai monofacciali.

MODULI CON TECNOLOGIA HALF CUT CELLS

Da qualche anno è emersa sul mercato una tecnologia innovativa, spesso associata alla PERC (Passivated Emitter Rear Cell) , che migliora le prestazioni e l’efficienza delle celle fotovoltaiche. Questa tecnologia è conosciuta come “half cut cells”, ovvero celle tagliate a metà. Grazie a questa innovazione, si è passati dai tradizionali moduli standard con 60 o 72 celle da 6 pollici a moduli con 120 o 144 mezze celle.

La cella PERC è stata la prima vera rivoluzione dell’efficienza nel silicio cristallino ed è diventata la tecnologia dominante sul mercato globale a partire dalla metà degli anni 2010.

• Il Problema Tradizionale: Nelle celle solari standard, il retro della cella è interamente metallizzato. Questo non solo riflette una parte della luce che attraversa il silicio, ma crea anche un punto in cui gli elettroni possono ricombinarsi con i “buchi” (cariche positive), dissipando l’energia come calore prima che possa essere raccolta. Questo fenomeno è chiamato ricombinazione.
• La Soluzione PERC: La cella PERC aggiunge uno strato di passivazione dielettrica (una pellicola isolante) sul retro della cella, perforata da minuscoli fori (chiamati Local Rear Contact) solo dove sono necessari i contatti metallici.
• Vantaggi:
  • Migliore Cattura della Luce: Lo strato dielettrico funge da specchio interno, riflettendo la luce non assorbita di nuovo nel silicio, aumentandone la possibilità di generare elettroni.
  • Riduzione della Ricombinazione: Lo strato isolante riduce drasticamente le perdite dovute alla ricombinazione degli elettroni sul retro della cella.
• Risultato: Le celle PERC hanno aumentato l’efficienza dei moduli dal 16-18% (delle generazioni precedenti) a oltre il 20-22% in condizioni standard, utilizzando processi di fabbricazione relativamente semplici da integrare nelle linee produttive esistenti.

Cella TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact)

La cella TOPCon è l’evoluzione diretta e la principale contendente a succedere alla tecnologia PERC, migliorando ulteriormente la gestione degli elettroni.

• Il Miglioramento: TOPCon utilizza una struttura di contatto avanzata sul retro della cella. Invece del semplice strato dielettrico e dei contatti localizzati di PERC, TOPCon introduce un sottilissimo strato di ossido di silicio tunnel (SiOx) sormontato da uno strato di silicio policristallino drogato.
• Il Meccanismo “Tunnel”: Lo strato di ossido di silicio è incredibilmente sottile, permettendo agli elettroni liberi di “tunnelizzare” (un fenomeno quantistico) attraverso di esso per essere raccolti dal contatto metallico, ma bloccando i portatori di carica indesiderati (i buchi).
• Vantaggi:
  • Efficienza Superiore: Raggiunge efficienze in laboratorio e commerciali più elevate rispetto a PERC (oltre il 23% a livello di modulo) grazie alla passivazione del contatto quasi perfetta.
  • Migliore Coefficiente di Temperatura: Tende a perdere meno potenza all’aumentare della temperatura.

Cella HJT (Heterojunction Technology)

La cella HJT (o Eterogiunzione) rappresenta un approccio radicalmente diverso e una forte alternativa sia a PERC che a TOPCon.

• L’Architettura: Questa tecnologia combina strati di silicio cristallino di alta qualità con strati estremamente sottili di silicio amorfo (a-Si). Questi strati amorfi sono depositati su entrambi i lati del wafer cristallino.
• Il Ruolo dell’Amorfo: Gli strati di silicio amorfo non sono lì per generare energia, ma per fungere da strati passivanti eccellenti. Creano una barriera elettrica superiore che riduce drasticamente la ricombinazione superficiale, il tallone d’Achille del silicio cristallino puro.
• Vantaggi:
  • Efficienza Molto Elevata: Compete direttamente con TOPCon, raggiungendo anche oltre il 23% di efficienza.
  • Processo a Bassa Temperatura: L’HJT richiede temperature di lavorazione significativamente più basse rispetto ad altre tecnologie, il che riduce il consumo energetico in produzione.
  • Bifaccialità Innata: L’architettura simmetrica e non metallizzata rende HJT intrinsecamente eccellente nelle applicazioni bifacciali (che raccolgono la luce anche dal retro), una tendenza crescente nel settore.

L’adozione di questa nuova tecnologia consente di aumentare la potenza di ciascun modulo e la sua capacità produttiva, grazie principalmente a due fattori:

• In primo luogo, vi è una maggiore tolleranza all’ombreggiamento. Nei moduli tradizionali, le celle sono collegate in serie in una configurazione 6×10, e l’impatto di un’eventuale ombreggiatura è attenuato da tre diodi by-pass (vedi glossario). Se una cella non riceve la stessa irradiazione delle altre, uno dei tre diodi si attiva, garantendo la produzione del modulo solo per due terzi della sua capacità (ad esempio, un modulo da 300 Watt potrebbe generare solo 200 Watt).
• Se consideriamo un modulo con 120 celle half cut, avremo due serie di 60 celle collegate in parallelo, condividendo 3 diodi by-pass. In questo modo, se una cella viene ombreggiata, solo 1/6 del modulo subirà l’ombra (un modulo da 300 Watt potrebbe quindi produrre 250 Watt. Le celle interessate dall’ombra saranno 20 (120*1/6=20) e se ogni cella produce 2,5Watt (300 W / 120 celle=2,5 Watt) la perdita del modulo sarà di circa 50 Watt; e la producibilità totale del modulo sarà di 250 Watt (300-50=250 Watt).

• Riduzione delle perdite resistive. Nelle celle half cut, la superficie è ridotta della metà rispetto a quelle intere, il che comporta una produzione di corrente anch’essa dimezzata e, di conseguenza, una diminuzione delle perdite. Inoltre, con una corrente inferiore che circola nei bus bar (le barre metalliche che collegano le celle fotovoltaiche e distribuiscono l’energia elettrica), la temperatura del modulo risulta più bassa, contribuendo così a un aumento della producibilità (vedi a pag.61).

 

STRUTTURA DI UN PANNELLO FOTOVOLTAICO

 Per garantire la protezione delle celle, i moduli vengono integrati all’interno di una struttura che deve soddisfare i seguenti requisiti:

• Deve fornire solidità meccanica all’insieme delle celle;
• Deve essere in grado di proteggerle dagli eventi esterni (vento, urti, grandine, ecc.);
• Deve isolarle elettricamente rispetto all’esterno;
• Deve resistere alle basse e alle alte temperature, all’abrasione, e ai raggi ultravioletti;
• Deve essere in grado di smaltire l’alto calore delle celle con la conseguenza di una riduzione dell’efficienza;
• Deve essere trasparente alla luce incidente;
• Deve durare nel tempo: almeno 25 anni.

La sezione di un modulo fotovoltaico è mostrata in figura.

I moduli vengono inseriti in una cornice di alluminio separato da uno strato di sigillante come a esempio la gomma; la cornice, oltre alla funzione di supporto, serve anche a garantire che il pannello sia sigillato per prevenire l’infiltrazione di umidità che può causare ossidazioni e la laminazione del pannello: rendendolo inservibile.

Le celle si trovano incassate in un doppio strato di EVA (acetato vinile etilenico) che ha la proprietà di isolamento e protezione dagli agenti atmosferici e ha un’ottima trasparenza e un indice di rifrazione molto simile sia a quello del silicio, che a quello del vetro, minimizzando i fenomeni di rifrazione e riflessione della luce alle interfacce. Questo polimero è un sottile strato che si ammorbidisce facilmente ogni qualvolta che il pannello fotovoltaico è irradiato dai raggi solari. Per cui si può sostenere come la funzione dell’EVA sia di collante tra lo strato superiore e quello inferiore, grazie appunto alla sua malleabilità.

Lo strato superiore è realizzato nella maggior parte dei casi con vetro temprato.

Il fondo può essere costituito anch’esso da vetro temprato o da uno strato di Tedlar (Tedlar è il nome commerciale di un film di polivinilfluoruro realizzato dalla DuPont. Questo materiale presenta diverse proprietà chimiche, elettriche e meccaniche, oltre a eccellenti capacità di barriera contro i raggi UV e una notevole resistenza all’invecchiamento atmosferico). Questi strati di chiusura posteriore devono avere anche buone proprietà di conduzione del calore per favorire lo smaltimento termico.

Infine, la scatola di giunzione. Questo elemento ospita i dispositivi di protezione elettrica e i connettori necessari per integrare il pannello nel sistema elettrico generale, semplificando così la gestione dell’energia prodotta.

Tutti gli elementi, fatta eccezione per la cornice, al momento dell’assemblaggio vengono inseriti in un laminatore la cui temperatura tocca i 145°C. Il processo che avviene è un processo di sottovuoto che scalda l’EVA e fissa tra loro le parti, isolando le celle fotovoltaiche per preservarle da agenti esterni di deterioramento.