Efficienza di cella, di sistema, di conversione

La cella esposta alla radiazione solare ha una sua curva tensione-corrente. Tale curva passa per due punti: la tensione massima in assenza di corrente Voc e la corrente massima in assenza di tensione Isc. Entrambe queste condizioni sono associate a potenza (=prodotto tra tensione e corrente) nulla.

La condizione di massima potenza cui si riferisce la definizione di efficienza, o potenza di picco, si ha per una particolare e ottimale combinazione di tensione e corrente.

Poiché la cella è inserita in un sistema che genera delle perdite (riflettenza specchi, eventuali inverters, ecc.), quando si valuta la potenza di picco ottenuta considerando tutte queste perdite si parla di efficienza di sistema.

In generale, la potenza è sostanzialmente legata a 3 variabili: intensità della radiazione solare, temperatura e area della cella.

La tensione è molto influenzata dalla temperatura, e diminuisce significativamente all'aumentare di questa. La corrente è proporzionale all'area ed all'irraggiamento.

I motivi che contribuiscono ad abbassare l'efficienza di cella possono essere raggruppati in 5 categorie:

1. non tutti i fotoni raggiungono la cella, perchè colpiscono i contatti o perchè riflettono sulla superficie o sulla polvere o un vetro posto sopra la superficie;

2. fotoni poco energetici. Per rompere il legame fra elettrone e nucleo, facendolo passare alla banda di valenza, ci vuole energia sufficiente;

3. fotoni troppo energetici. L'energia necessaria a rompere il legame è inferiore a quella spesa. La differenza genera proprio calore, fenomeno doppiamente nocivo perché può innalzare la temperatura abbassando il voltaggio prodotto;

4. non tutte le coppie elettrone-lacuna generano corrente. Se la cella è illuminata in modo disuniforme o se la cella è spessa, ci sono maggiori probabilità che, nel loro percorso, le coppie incontrino coppie di segno opposto, ricombininandosi;

5. resistenze parassite. I contatti metallici posti sul fronte e sul retro della cella hanno una certa resistenza all'interfaccia, che provoca dissipazioni. Tali dissipazioni sono minimizzate da un processo di lega fra il silicio e l'alluminio dei contatti. In caso di silicio policristallino, gli elettroni incontrano resistenza ai confini fra un grano e l'altro (resistenza che, per il silicio amorfo, è molto maggiore).

Ai fini della produzione reale di energia è comune parlare di efficienza di conversione. Di tutta l'energia che investe la cella solare sotto forma di radiazione luminosa, solo una parte viene convertita in energia elettrica disponibile ai suoi morsetti. L'efficienza di conversione è il rapporto atteso fra l'energia prodotta e l'irradiazione solare, quando la cella si trova alla reale temperatura di funzionamento.

Il gruppo di ricerca del Prof. Martinelli ha monitorato per 2 anni l’efficienza di un sistema a concentrazione tradizionale da 12 m2 (13,5 m2 complessivi, da cui vanno esclusi gli spazi tra specchio e specchio, che in questo prototipo, basato su specchietti da camion, non sono sfruttati) con 1 cella di silicio: il rendimento è stato del 19.5%. Si è ottenuta una potenza di 2012 W/giorno in media, e i seguenti rendimenti di dettaglio:

a) Riflettività degli specchi: 92%

b) Efficienza delle celle fotovoltaiche in silicio (a 300 soli): 23%

c) Efficienza dell’inverter: 94%

L’efficienza dichiarata per il progetto Phocus dell’ENEA (celle a 200 soli) è del 23,5% sulla singola cella e del 20% sul modulo.

L'efficienza di sistema per un prodotto industriale di grande scala è inferiore. Le parabole a concentrazione in vendita hanno efficienza di sistema del 16% circa. Vengono cioè vendute ad una potenza di picco di 160 W/mq.