IL FOTOVOLTAICO - CENNI STORICI

Di siti che raccontano cos'è l'effetto fotovoltaico, credo ve ne siano già ...troppi.   Provo comunque ad illustrarvi cos'è il FV. Sappiate che la lettura è consigliata solo ad un pubblico già vaccinato.

Nel 1839 un fisico francese, un certo Becquerel aveva notato che l'energia luminosa si poteva trasformare in energia elettrica in maniera diretta,  semplicemente introducendo due elettrodi metallici in un recipiente contenente una soluzione elettrolitica.

Poi attorno al 1876 tre studiosi Smith, Adams e Day misero a punto un dispositivo composto da alcuni semiconduttori con giunzioni ad ossidi metallici che permetteva di convertire l'energia proveniente dai raggi solari in energia elettrica con un'efficienza di conversione attorno al 1%.

Fin qui, niente di male: l'esperimento era risultato carino e pieno di spunti.

Poi alcuni laboratori di aziende americane incominciarono a realizzare in serie delle fette di silicio opportunamente trattate,  finalizzate alla costruzione di moduli fotovoltaici per impieghi aerospaziali. Ma anche fin qui, tutto bene: i moduli costavano un occhio della testa ed erano relegati a stare lontani da noi, per nobili missioni interplanetarie o tutt'al più per satelliti che facevano da unici ripetitori per le comunicazioni intercontinentali.

Successivamente, e siamo agli anni 70, la mania che hanno i grandi industriali di ottimizzare e ridurre i costi, unitamente alla prima crisi petrolifera, hanno spinto alcuni di noi a pensare e realizzare dei generatori costituiti da moduli fotovoltaici che, con l'ausilio di marchingegni in grado di convertire la c.c. in c.a., fossero in grado di consegnare della corrente elettrica in alternata a 220V.

Allora, per fortuna, i moduli fotovoltaici costavano ancora tanto e l'utilizzo era ancora molto limitato a casi di effettiva necessità di avere la corrente elettrica in luoghi isolati.

Ma altri industriali, e qui l'indice accusatorio lo puntiamo certamente sui tedeschi e sui giapponesi, negli anni 90 lavorarono per abbassare ancora un pochino il costo, aiutati da altre persone che parlavano la stessa lingua e che pensavano solo ad escogitare strani piani da parte dello stato per aiutare chi voleva cimentarsi nella singolare avventura di prodursi l'energia da sé, senza inquinare e ne sentirsi in colpa di aver fatto inquinare l'aria solo per aver fatto andare la lavatrice tutte le volte che ce n'era bisogno.

Così, questo costoso fenomeno di dotarsi di impianti fotovoltaici, dalle caratteristiche senz'altro ecologiche, autonomiste e pure un po' pacifiste ha incominciato ad interessare un numero sempre più ampio di persone...

Poi quando anche coloro che non avevano particolari inclinazioni all'ecologia, ci hanno visto dentro un po' di remuneratività, è stato il disastro: da obiettivi di pochi megawatt si è passati ad obiettivi di centinaia e centinaia di megawatt: industriali che hanno perso il sonno tante erano le richieste, appassionati di fotovoltaico che non hanno avuto più pace, operatori provenienti da settori completamente differenti che si sono buttati in questo nuovo e luccicante mondo.

Un anno interessante è stato il 2004. La ripartenza del programma tedesco di incentivazioni (noto come feed-in-tarif) provoca una seconda ondata di euforia: fabbriche di moduli in piena attività, moltiplicazione del numero di installazioni, ..  E poi di panico:  riviste internazionali del settore che preannunciano la penuria di silicio per diversi anni, ancora  industriali che perdono il sonno per trovare una soluzione a tale penuria,  e costi che inevitabilmente lievitano un po’.

Successivamente su alcune riviste, in certi articoli si legge pure che la soluzione sta’ nel ricorso ai moduli a film sottile, perché se il silicio è poco, perché non ricorrere ad altri semiconduttori quali Cadmio, Tellurio, Indio, Gallio, Arsenico… ?  Chiariamoci subito:  sono d'accordo che le celle di un modulo in silicio cristallino hanno spessore di 220 μm,  mentre invece un modulo a film sottile è costituito da una deposizione di materia di 2 μm,  e ciò indurrebbe a pensare che per fare un modulo a film sottile siano sufficienti 1/100 di quei semiconduttori sopraccitati rispetto al silicio impiegato per costruire un modulo in silicio cristalline.

Non proprio.  Innanzitutto l’efficienza dei moduli a film sottile è circa la metà di quelli al silicio cristallino, perciò per costruire un modulo di pari potenza è necessaria almeno il doppio della superficie, così il divario si ridurrebbe ad 1/50, poi  elementi quali Tellurio, Indio, Gallio sono considerati ‘elementi rari’, mentre il silicio, dopo l’ossigeno è elemento più comune esistente sulla faccia della terra!

Insomma, chiariamoci: il problema non è la mancanza di silicio sulla crosta terrestre ma la mancanza di silicio industriale (polysilicon), idoneo a ricavare celle fotovoltaiche.
A questo problema, (dopo altre notti insonni), alcuni industriali stanno ovviando grazie alla realizzazione di nuove fabbriche di polysilicon.  Ma per avviare simili fabbrichette ci vogliono 3-4 anni se va’ tutto bene, oltre ad un impegno e 250 Mln.€!

Ora, se contiamo : 2004+4=2008; da quest’anno dovremmo assistere ad una lenta discesa dei prezzi dei moduli, ma non aspettiamoci nulla di eclatante: il costo del silicio per produrre una cella costituisce 1/3 del costo del modulo; un altro 1/3 è il costo per la realizzazione della cella e l’ultimo 1/3 è il costo per assemblare un modulo. Pertanto, anche se vi fosse una drastica discesa dei prezzi del polysilicon, questa andrebbe ad incidere su di 1/3 del costo del modulo.

Come diceva un mio docente, un certo Mario, un pezzo grosso del fotovoltaico quando c'erano gli incentivi regionali, ... l'elevato successo del fotovoltaico è dovuto a quel non so' che di semplicità e democraticità che permette a moltissimi di noi di farsi l'energia da se',  ottenendo pure il risultato di tagliare drasticamente i costi della bolletta..

TECNOLOGIA

Ma veniamo adesso ai principi che regolano il funzionamento di una cella fotovoltaica:
La cella fotovoltaica è costituita da un semiconduttore che grazie alle sue proprietà di avere caratteristiche intermedie tra i metalli e gli isolanti, quando  un raggio di sole colpisce questo semiconduttore, alcuni dei suoi elettroni passano ad un livello energetico superiore, passando dalla banda di valenza a quella di conduzione, consentendo all’elettrone di muoversi slegandosi dal suo atomo, e lasciando uno spazio libero chiamato “lacuna”.

Tale fenomeno, se non esiste un campo elettrico, provoca una continua ricombinazione di elettroni con le lacune causando un semplice riscaldamento della cella più qualche residuo fenomeno di generazione di corrente elettrica non utile ai fini applicativi.

Se invece  noi nella cella creiamo un campo elettrico, ecco  che gli elettroni saranno attirati verso  una zona della cella,  mentre le cariche positive si porteranno verso la parte opposta del campo elettrico. Per spiegarla ai non addetti, si potrebbe pensare che una cella fotovoltaica sia un piano orizzontale contenuto da un involucro trasparente, dove vi sono delle palline (gli elettroni) e dei palloncini riempiti di elio(le lacune), tutti legati con una cordicella al piano orizzontale e pertanto non libere di muoversi.  Quando il sole lambisce questo piano le palline ed i palloncini si slegano dalla cordicella, senza però prendere una direzione precisa.

L’introduzione di un campo elettrico si potrebbe  assimilare  al gesto di  inclinare il piano dove giacciono le palline e i palloncini riempiti di elio.  Al sorgere del sole, gli elementi che si liberano dal piano inclinato, si separerebbero a seconda che siano palline o palloncini riempiti di elio (+ leggeri dell’aria) per cui ci ritroveremmo le palline ai piedi del piano inclinato e i palloncini, accumularsi sulle pareti alte del contenitore trasparente.

L'esempio che ho provato a fare permette di comprendere che in presenza di un campo elettrico vi è una separazione tra elettroni (che vanno da una parte) e lacune (che si muovono nel verso opposto). La limitazione in questo mio esempio sta’ nel fatto che ho descritto un sistema chiuso dove il fenomeno elettrico di utilizzazione degli elettroni a valle della generazione fotovoltaica, (attraverso un dispositivo che assorbe l'energia generata),  non viene rappresentata, mentre invece un generatore + circuito elettrico + dispositivo utilizzatore, genera passaggio continuo degli elettroni dal generatore all’utilizzatore e poi verso il polo opposto del medesimo generatore.