Le celle fotovoltaiche

• Celle in silicio monocristallino. Una cella in silicio monocristallino quadrata con lato di 10 cm produce circa 2,5 A a 0.55 Volt in corrente continua. Sono circa 140 W/mq. La tensione prodotta è però troppo bassa per essere praticamente sfruttabile. Chi per esempio utilizza un pannello solare per caricare la batteria di un'auto da 12 V, usa un pannello con 36 celle collegate in serie (la batteria si carica completamente in circa 3-4 giorni di luce).

• Cella in silicio policristallino. Hanno un rendimento leggermente inferiore, circa 110 W/mq.

• Celle in silicio amorfo. Hanno rendimento nettamente inferiore, 50 W/mq circa, e perdono circa il 10 % della potenza solo nelle prime 300-400 ore di funzionamento. Sono in commercio pannelli con tali celle, protette da un materiale fotosensibile entro un doppio cristallo raggiungono una durata accettabile. Poiché il silicio amorfo non presenta una struttura molecolare definita, può utilizzare diverse superfici di appoggio. I moduli sono quindi dotati di una maggiore versatilità e possono essere utilizzati anche per usi architettonici. Efficienza di picco di circa 50 W/mq.

• Celle all'arseniuro di gallio (GaAs), fosfuro di indio e gallio (InGaP), rame indio diselenide (CuInSe2). Hanno una buona efficienza anche a temperature elevate e appaiono particolarmente adatti a sistemi a concentrazione. Hanno costi di produzione elevatissimi.

• Celle al Solfuro di Cadmio (CdS). Hanno una efficienza discreta e costi di produzione abbastanza elevati.

• Celle a film sottile (quindi molto economiche) ad eterogiunzione fra solfuro di rame e varie soluzioni quali solfuro di cadmio (Cu2S-CdS), diseleniuro di indio e rame (Cu2S-CuInSe2), tellururo di cadmio (Cu2S-CdTe), fosfato di Indio (Cu2S-InP), in cui l'assorbimento dei fotoni ha luogo nello strato Cu2S e gli elettroni generati passano nel secondo strato per diffusione. L'efficienza è molto bassa, circa la metà rispetto alla cella convenzionale in silicio, ma il costo è inferiore.

• Celle a film sottile con strati policristallini di arseniuro di gallio e arseniuro di gallio e alluminio (GaAs-GaAsAl) depositati in film di grafite, poco efficienti.

• Celle a film sottile in silicio amorfo basato su molte giunzioni p-n. Di costo molto basso e di efficienza paragonabile a quella delle celle tradizionali, è stata studiata attentamente negli anni 90. Attualmente è poco considerata per varie ragioni, fra cui il deterioramento delle caratteristiche a seguito della prolungata esposizione alla radiazione luminosa.

• Celle a film sottile a giunzione multipla. Il sistema più efficiente, utilizzato per questo motivo dall'industria elettronica, consiste nella disposizione di film sottili sovrapposti. La sovrapposizione è organizzata in modo che i fotoni che non sono assorbiti dal primo strato, attraversano la cella, che appare loro abbastanza trasparente, e vengono assorbiti dalla cella sottostante. Ciò equivale a sfruttare completamente lo spettro solare. La parte di spettro a frequenza più elevata viene raccolta dallo strato superiore, mentre la parte a frequenza minore attraversa tale strato, che appare abbastanza trasparente, e viene catturata da quello sottostante (Figura 4). La pila può essere fatta unendo una grande varietà di combinazioni, ma è problematico individuare i supporti giusti. Non si usano più di 3 o 4 strati perchè ad ogni passaggio vi è una perdita di efficienza. L'industria spaziale fa uso di germanio monocristallino come materiale di partenza e ottiene celle di efficienza di conversione superiore al 37% usando 3 strati. Purtroppo il germanio esiste in piccole quantità ed è molto costoso.

• Celle a concentrazione (Figura 3). Tutte le celle individuate precedentemente possono essere convenientemente adattate a sistemi a concentrazione. In particolare le celle a giunzione multipla hanno costi tali da non poter essere concepiti in assenza di sistemi a concentrazione. Se su una sola cella venisse concentrata l'irradiazione proveniente da un'area 200 volte superiore, i circuiti sulla cella dovrebbero convogliare correnti 200 volte maggiori. Ciò comporterebbe enormi perdite nei circuiti. Inoltre sarebbe inutile produrre tanta corrente ad un basso voltaggio. E' quindi necessario, per aumentare il voltaggio oltre alla corrente, prevedere una combinazione di piccole celle in serie. Su tali piccole celle è disegnata una rete di circuiti superficiali ottimizzato per la maggior irradianza, ovvero costituita da una maglia fitta di fili molto sottili. L'uso dei concentratori ha il duplice effetto di ridurre il numero di celle necessarie, sostituendole con lenti o specchi di materiale plastico poco costoso, e di mantenere la superficie del dispositivo rivolto verso il sole, aumentando l'irraggiamento.