GIS, BIM and territory data 🗺️: PANNELLO MONOCRISTALLINO

Argomenti trattati:

a) Introduzione;
b) Origine del componente;
c) L’effetto fotovoltaico;

d) Tecniche di produzione del silicio;

e) Componenti del modulo fotovoltaico;

f) Certificazioni;

g) I^a II^a e III^a generazione;

h) Pregi e difetti;

i) Confronto pannelli monocristallino;

j) Impiego dei pannelli.

a) Introduzione

La situazione energetica mondiale è ormai da qualche anno un serio problema che preoccupa l’intero pianeta.

La sempre maggiore richiesta di energia, l’inquinamento prodotto dalle centrali, responsabile degli stravolgimenti climatici dei nostri giorni e il relativo impatto ambientale, fanno si che la ricerca nel campo della generazione energetica con “fonti alternative” rispetto a quelle tradizionali sia notevolmente in crescita.

In questo contesto la fonte di energia più nobile ed inesauribile è l’energia che proviene dal Sole.

Il Fotovoltaico infatti è una tra le principali ed importanti tecnologie che sfruttano la luce solare,

trasformandola in energia elettrica, senza effetti negativi sull’ambiente.

A differenza dei combustibili fossili e nucleari, destinati ad esaurirsi in un tempo finito, queste forme di energia possono essere considerate virtualmente inesauribili.

Molteplici sono le applicazioni del fotovoltaico: dai piccoli e semplici fabbisogni del singolo utente, ai grandi sistemi per comunità ed usi commerciali.

In effetti questi sistemi possono essere forniti in varie dimensioni di potenza, voltaggio, grandezza, a seconda della richiesta.

b) Origine del componente

Dal silicio alle celle fotovoltaiche

Il silicio è il materiale più utilizzato per la produzione di celle fotovoltaiche (oltre il 90% dei moduli in commercio sono in silicio). Subito dopo l’ossigeno, è l’elemento più abbondante sulla terra ma in realtà questo materiale non esiste in forma pura ma solo sotto forma di Ossido di Silicio (SiO2) o di composti contenenti Si come la sabbia, il quarzo e l’argilla.

Il silicio viene prima estratto dalle miniere e poi viene reso puro attraverso diversi processi chimici.

Esistono, tuttavia, vari gradi di purezza: per l’industria fotovoltaica il grado di purezza stabilito deve essere 99,9999% (Silicio di grado solare).

Nell’industria fotovoltaica viene utilizzato nella sua forma cristallina (mono e poli) ed in quella amorfa.

Nella forma cristallina gli atomi di Si sono ordinati in maniera regolare, mentre nella forma amorfa (come il vetro) sono distribuiti in maniera casuale.

Il lingotto di monocristallino normalmente ha un diametro di 20 cm, è alto circa un metro e pesa da 70 a 75 kg.

Ai lingotti di silicio una volta raffreddati viene tagliata la testa e la coda (scarti utilizzati dall’industria FV) quindi vengono sagomati e tagliati a fette “wafer” che costituiscono la base per le celle finite.

c) L’effetto fotovoltaico

La conversione della radiazione solare in energia elettrica avviene sfruttando l’effetto prodotto da un flusso luminoso che incide su un materiale semiconduttore (quattro elettroni di valenza), quando quest’ultimo incorpora, in un lato, atomi di drogante di tipo p (tre elettroni di valenza) e nell’altro atomi di tipo n (cinque elettroni di valenza).

Un fotone (il fotone è l'unità elementare, priva di carica elettrica e di massa, che si propaga alla velocità della luce: nel vuoto c=299.792,5 km/s) dotato di energia, sulla base della relazione E = h*v in cui v rappresenta la frequenza e h la costante di Planck (6,626*10^-34 js), è in grado di liberare all’interno della giunzione (zona di contatto tra la parte drogata p e quella drogata n) una coppia elettrone-lacuna che, per effetto del campo elettrico tra i due strati drogati differentemente, si spostano in verso opposto.

Utilizzando come semiconduttore il silicio, l’energia necessaria a liberare una coppia

elettrone- lacuna corrisponde ad una lunghezza d’onda massima per la radiazione

luminosa di 1,15 µm.

La frazione eccedente questo limite, avente cioè lunghezza d’onda maggiore e

quindi energia insufficiente, corrisponde a circa il 25% dell’energia complessivamente

contenuta dello spettro solare.

Il rimanente 75% risulta pertanto in grado di liberare coppie elettrone-lacuna.

Tuttavia, come si è visto, al diminuire della lunghezza d’onda ai fotoni risulta associata

un’energia sempre maggiore, ma in eccesso rispetto a quella richiesta.

La parte eccedente costituisce un surplus che va inevitabilmente perduto, ossia

trasformato in calore.

Ne segue che, con semiconduttori al silicio, la percentuale di energia solare che è

teoricamente possibile convertire in energia elettrica non supera il 44% circa.

Il rendimento delle celle fotovoltaiche in silicio, anche nelle prove di laboratorio, è tuttavia

molto distante da questo valore.

L'atomo di silicio possiede 14 elettroni, quattro dei quali sono elettroni di valenza, che

quindi possono partecipare alle interazioni con altri atomi sia di silicio sia di altri elementi.

In un cristallo di silicio puro (Fig. A1) ogni atomo è legato in modo covalente ad altri

quattro atomi, quindi due atomi affiancati di un cristallo di silicio puro hanno in comune una

coppia di elettroni, uno dei quali appartenente all'atomo considerato e l'altro appartenente

all'atomo vicino; esiste quindi una forte relazione tra di essi.

Questo legame elettrostatico può essere spezzato con una quantità di energia che permetta ad un elettrone di passare ad un livello energetico superiore, cioè dalla banda di valenza

alla banda di conduzione, superando la banda proibita; se l'energia fornita è sufficiente, per l'atomo di silicio 1.08eV (1 eV = 1.602 * 10^-19 J), l'elettrone è libero di spostarsi, contribuendo così al flusso di elettricità.

Quando passa alla banda di conduzione, l'elettrone si lascia dietro una buca, cioè una lacuna dove manca un elettrone.

Un elettrone vicino può andare facilmente a riempire la lacuna, scambiandosi così di posto

con essa.

Per sfruttare l’elettricità è necessario creare un moto coerente di elettroni e di lacune,

ovvero una corrente, mediante un campo elettrico interno alla cella.

I cristalli di silicio possono essere drogati, ovvero si inseriscono nella struttura cristallina

delle impurità; in particolare, degli atomi di silicio vengono sostituiti con atomi del V gruppo

della tavola degli elementi detti donatori (in genere fosforo) o con degli atomi del III gruppo

(in genere boro) detti accettori.

Nello strato drogato con fosforo (Fig. A2), che ha cinque elettroni esterni o di

valenza contro i quattro del silicio, è presente una carica negativa debolmente legata

composta da un elettrone per ogni atomo di fosforo.

Analogamente, nello strato drogato con boro (Fig. A3), che ha tre elettroni esterni, si

determina una carica positiva in eccesso composta dalle lacune presenti negli atomi di boro

quando si legano al silicio.

Il primo strato, a carica negativa, si indica con n, l'altro, a carica positiva, con p.

Una cella fotovoltaica è costituita dall’accoppiamento di un semiconduttore di tipo p, con

prevalenza di accettori, e uno di tipo n, con prevalenza di donatori, formando la giunzione

p-n (Fig. A4).

Attraverso la superficie di contatto dei due semiconduttori alcuni elettroni passano dal

materiale di tipo n a quello di tipo p, mentre alcune lacune si spostano in senso contrario.

Il materiale di tipo n acquista, di conseguenza, una debole carica positiva, mentre quello di

tipo p diventa leggermente negativo.

Attorno alla zona di confine si genera, pertanto, un campo elettrico diretto dal materiale di

tipo n a quello di tipo p, a cui è associata una differenza di potenziale Ve.

Questo strato impedisce ogni ulteriore diffusione nei due versi dei portatori di carica.

Connettendo il cristallo n al polo positivo di un generatore e il cristallo p a quello negativo, si rafforza il campo elettrico, che si è instaurato in precedenza e che impedisce il passaggio di corrente.

Se si invertono invece le connessioni del generatore, la giunzione si assottiglia e la corrente fluisce nel circuito.

La giunzione p-n è quindi un dispositivo a senso unico, poiché consente il passaggio della corrente in un solo senso: dal materiale di tipo p a quello di tipo n (diodo a semiconduttore).

In pratica la tipica cella fotovoltaica ha uno spessore complessivo tra 0,25 e 0,35 mm ed è costituita da silicio mono o policristallino. Essa, generalmente di forma quadrata, misura solitamente 125x125 mm e produce, con un irraggiamento di 1 kW/m² ad una temperatura di 25°C, una corrente compresa tra i 3 e i 4 A, una tensione di circa 0,5 V e una potenza corrispondente a circa 3 Wp.

d) Tecniche di produzione del Silicio.

Silicio monocristallino: Processo Czochralski, metodo del floating zone e metodo melting.

Processo Czochralski (CZ)

Il processo consiste nel sollevamento verticale a bassissima velocità di un seme monocristallino di silicio, immerso inizialmente per pochi millimetri in un crogiolo contenete silicio puro fuso.

Il seme monocristallino è, in pratica, una bacchetta con sopra un sottile strato di silicio in forma monocristallina.

Gli atomi di silicio fuso, a contatto con il seme monocristallino, si orientano secondo il reticolo atomico della struttura del silicio.

La temperatura del silicio nel crogiuolo è mantenuta di pochi gradi superiore a quella di fusione (1414 °C), e aderendo al seme monocristallino, che gradualmente viene estratto dalla massa fusa, si solidifica molto rapidamente conservando la struttura monocristallina del seme a cui aderisce.

Il controllo rigoroso della temperatura del materiale fuso, dell'atmosfera nella camera, e della velocità di estrazione, nonché assenza assoluta di vibrazioni, consente la produzione di fusi perfettamente cilindrici e altamente puri.

L'operazione successiva consiste nel tagliare il fuso tramite un disco diamantato, ottenendo i dischi con spessore di pochi decimi di millimetro chiamati wafer; i Wafer costituiranno quindi il supporto (substrato) per i diversi dispositivi elettronici.

Dato che la quantità di dispositivi ricavabili da una singola fetta è proporzionale al suo diametro, col tempo si è cercato di realizzare fusi con diametro sempre maggiore

Attualmente si realizzano fusi con un diametro di circa 30 centimetri.

Un cristallo di Si prodotto con il metodo Czochralski si indica con CZ.

Nel metodo di float zone (FZ) un cristallo con struttura e composizione spuria si muove attraverso una zona ove il materiale è liquido partendo da un germe cristallino che, come nel metodo Czochralski, ne orienta gli atomi nella zona fusa.

Questo metodo è stato usato inizialmente per purificare i CZ sfruttando gli effetti di segregazione delle impurezze e di riassestamento della struttura nella zona fusa in forma di mono cristallo.

Questo metodo permette di ottenere monocristalli di alta purezza e cristallinità.

Nel metodo FZ la fusione viene effettuata in vuoto o in gas inerte ed è ad impurezze zero perché la zona di fusione non è a contatto diretto con il crogiolo come nel processo CZ.

I problemi del metodo FZ sono quelli correlati al collasso della zona fusa che rimane compatta e solidale al solido grazie unicamente alle forze di tensione superficiale del fuso.

Il diametro massimo per pani ottenuto con il metodo FZ è di 20 mm.

Con metodi molto sofisticati si possono però raggiungere diametri 150 mm.

Metodo Melting

Secondo le tecniche tradizionali, il silicio a cristallo singolo, o monocristallino, è ottenuto da un processo (detto Melting): si parte dai cristalli di silicio di elevata purezza che, una volta fusi, vengono fatti solidificare a contatto con un seme di cristallo; durante il raffreddamento, il silicio gradualmente si solidifica nella forma di un lingotto cilindrico di monocristallo del diametro di 13-20 cm, con una lunghezza che può raggiungere i 200 cm.

Successivamente, il lingotto viene tagliato con speciali seghe a filo in fettine dette wafers, con spessore di 150-250 μm: il ridotto spessore del wafer ottenuto consente un buon sfruttamento del lingotto, che si paga però con un’estrema fragilità.

e) Componenti del modulo fotovoltaico

Celle

Lo spessore della cella è di soli 0,1-0,2 mm, quindi siamo in presenza di una lamina molto fragile che, se non maneggiata con cura, potrebbe poi essere interessata da rotture o crepe durante il normale funzionamento negli anni, riducendo cosi la produzione energetica del modulo.

Bus-bar

Con il termine bus-bar si identificano i collegamenti elettrici tra le celle.

Gli elettroni emessi dalla cella sono catturati da un reticolo conduttivo che ricopre tutta la superficie della cella e convoglia gli elettroni verso dei filamenti di sezione maggiore (tipicamente 2 o 3) che sono utilizzati anche per il collegamento tra una cella e l’altra.

La maggior parte dei moduli è dotata di due bus-bar, alcuni invece ne hanno tre.

EVA

L’EVA è un copolimero di etilene e di acetato di vinile.

Si tratta di un composto estremamente elastico, che può essere utilizzato per formare un materiale poroso simile alla gomma, ma con durezza eccellente.

L’EVA viene utilizzato nei moduli fotovoltaici a protezione delle celle.

Queste vengono infatti racchiuse tra due fogli molto sottili in modo da essere messe sotto vuoto. Risulta estremamente importante garantire l’assenza assoluta di aria per evitare che con il tempo si verifichino ossidazioni della cella, visibili come chiazze di colore giallo sul modulo.

Queste ossidazioni farebbero decadere enormemente le funzionalità della cella interessata, cosa che a sua volta farebbe diminuire la potenza generata dal modulo.

Tedlar

Il Tedlar è il materiale che, unitamente a EVA, celle e vetro solare, viene laminato a caldo per formare il modulo solare.

Si tratta di un pannello flessibile dello spessore di circa 1mm, di colore bianco, chimicamente inerte, resistente e leggero, che rappresenta la parte posteriore del modulo FV.

Grazie alle sue proprietà meccaniche, elettriche e chimiche, il Tedlar è un materiale ideale per molti tipi di protezione delle superfici.

Mantiene la sua forza e flessibilità all’interno della gamma di temperature da -70°C fino a 110°C.

Ha un allungamento di oltre il 100%, resistenza all’usura, agli agenti atmosferici e ai raggi UV ed è facile da pulire.

Vetro

Il vetro dei moduli è uno degli elementi più importanti in quanto ha la funzione di proteggere le celle dagli agenti atmosferici e deve chiaramente garantire la massima trasmissione della luce in modo che tutte le radiazioni incidenti arrivino alle celle.

Il vetro è composto principalmente da sabbia (60%), soda (19%), dolomite (15%) e altri materiali.

Per assicurare un’ottima trasmissività è indispensabile che il contenuto di ferro sia estremamente basso.

In linea generale l’assorbimento della luce da parte del vetro è circa pari ad un punto percentuale.

Junction-box

Le scatole di giunzione elettrica (dette anche junction- box) sono dispositivi che contengono i vari collegamenti tra le celle e che permettono il cablaggio dei moduli fotovoltaici.

Cornice

La cornice del modulo fotovoltaico è un componente estremamente importante perché assicura la resistenza meccanica del modulo stesso.

f) Certificazioni.

Per poter accedere agli incentivi del Conto Energia, i moduli fotovoltaici devono possedere specifiche certificazioni che ne attestino la qualità e la resistenza nel tempo. La norma principale per i moduli in silicio cristallino è la IEC 61215 che deve accompagnare obbligatoriamente ogni modulo che si intende utilizzare per un impianto fotovoltaico connesso alla rete.

Elenchiamo di seguito i test eseguiti per l’ottenimento di questa certificazione:

- Ispezione visuale: consiste nell’individuare le condizioni fisiche del modulo e i difetti

disallineamento delle celle, sovrapposizioni, scoloriture, etc.)

- Determinazione della potenza massima del modulo, determinazione della caratteristica I-V alle condizioni standard di test (irraggiamento di 1000W/m², temperatura di 25°C, vento di 1m/s, Air Mass di 1,5);

- Test d’isolamento: consiste nel misurare una resistenza di isolamento superiore a 40MΩ

applicando una tensione di 1000V tra i morsetti d’uscita in corto;

- Misura dei coefficienti di temperatura: consiste nel misurare la corrente di corto circuito

(Isc) e la tensione a circuito aperto (Voc) a diverse temperature con step di 5°C in un

range di almeno 30°C;

- Misura della NOCT: consiste nella misura della temperatura normale di lavoro della cella

con irraggiamento di 800W/m², temperatura ambiente 20°C e velocità del vento 1m/s;

- Misura delle caratteristiche elettriche in condizioni STC e NOCT: consiste nella misura

delle caratteristiche del modulo alle condizioni standard di test ed alle condizioni di NOCT;

- Prestazioni a basso irraggiamento: consiste nella misura dei parametri elettrici con

irraggiamento di 200 W/m² e temperatura di 25°C;

- Test di esposizione alla radiazione solare: consiste nell’esposizione alla radiazione solare per un totale di 60 kWh/m² con morsetti in corto circuito;

- Test di durata all’oscuramento parziale: consiste in 5 esposizioni di 1h a 1000W/m² in

condizione di oscuramento parziale;

- Test di esposizione ad UV: consiste nell’esposizione alla radiazione ultravioletta per un

totale di 15 kWh/m²;

- Cicli termici: consiste nel sottoporre il modulo ad un numero di cicli da 50 a 200 da -40°C a +85°C applicando la corrente di picco rilevata alle condizioni standard;

- Test ad alta e bassa temperatura ed alta umidità: consiste nel sottoporre il modulo a 10

cicli da +85°C a -40°C, 85% di umidità;

- Test di lunga esposizione ad alta umidità: consiste nell’esporre il modulo per 1000h a

+85°C, 85% di umidità;

- Test di resistenza delle terminazioni: prova di resistenza su cavi e connettori di serraggio

viti come da operazioni di montaggio tipiche;

- Test di isolamento in presenza di bagnato: consiste nel misurare una resistenza di

isolamento superiore a 400MΩ con il modulo totalmente immerso in acqua;

- Test di carico meccanico: vengono effettuati 3 cicli di 2400 Pa (corrispondenti alla

pressione esercitata dal vento a 130 km/h) caricati in modo uniforme per 1h sul fronte e

sul retro del modulo;

- Test di resistenza alla grandine, tramite lancio di sfere di 25mm di diametro sul modulo

alla velocità di 23m/s;

- Test termici sul diodo di by-pass, 1h al valore della corrente di corto circuito è 75°C.

La certificazione IEC 61215 è valida solo per i moduli in silicio cristallino.

g) I^a II^a e III^a generazione

Com’è già stato detto in precedenza, questa tipologia di fotovoltaico è basata sul semiconduttore inorganico per eccellenza: il silicio. Questo particolare materiale si può presentare in “forme” diverse secondo lo stato di aggregazione, o ordine cristallino, in cui si trova. Infatti, si può parlare di:

- Silicio monocristallino: è costituito da un cristallo singolo di silicio avente un reticolo cristallino

continuo, senza interruzioni in tutto il solido, con una struttura tetraedrica ordinata che si ripete su

larga scala.

- Silicio policristallino (o multicristallino): è costituito da cristalli di silicio non allineati, si ha

una struttura non omogenea.

Vediamo le varie tipologie di celle che sfruttano queste tipologie di silicio evidenziando i risultati che

sono stati raggiunti in termine di efficienza di conversione. Per quanto riguarda le prove in

laboratorio, sono state rispettate le condizioni standard per lo spettro solare (IEC 60904–3: 2008,

ASTM G-173–03 global) AM1,5 (1000 W/m²) alla temperatura di 25°C.

Celle di I generazione (I G): Silicio cristallino (mono e poli), GaAs (applicazioni spaziali).

Alto costo per unita di potenza.

Celle di II generazione (II G): Silicio cristallino (ottimizzate), Silicio amorfo (film sottile), a semiconduttore composto (GaAs, CdTe, CIS). Media efficienza; costo ancora alto per unita di potenza.

Celle di III generazione (III G): Multi giunzione, strutture quantistiche, strutture organiche o polimeriche a coloranti, a concentrazione. Superano il limite teorico di efficienza per celle a singolo semiconduttore (≈31%) e tendono a quello termodinamico per la conversione elettrica dell’energia solare(≈87%).

Materiale	Efficienza record cella	Efficienza record modulo	Efficienza moduli commerciali
Silicio monocristallino	25.0%	22.9%	14-17%
Silicio multicristallino	20.4%	17.55%	12-14%
Silicio amorfo	10.1%	12.5%	6-8%

h) Pregi e difetti

Il modulo monocristallino:

Pregi:

- E’ il migliore;

- Adatto a chi ha un po' meno spazio;

- Produce di più.

Difetti:

- Migliore rendimento solo con la radiazione diretta;

- È il più costoso;

- Antiestetico.

i) Confronto pannelli monocristallino

SHARP garantisce il 96% della potenza minima durante il primo anno della garanzia.

Dal secondo anno e per ogni anno successivo, la potenza garantita è ridotta del 0,667% in ogni caso calcolata dalla potenza iniziale di uscita minima.

Al 25° anno, è ancora garantita l'80% della potenza iniziale di uscita minima.

La garanzia cessa automaticamente alla fine del 25° anno.

L’elenco dettagliato dei valori di garanzia annuale è mostrato nella seguente tabella:

Anno	Percentuale di potenza minima garantita	Anno	Percentuale di potenza minima garantita
1	96,0%	14	87,3%
2	95,3%	15	86,7%
3	94,7%	16	86,0%
4	94,0%	17	85,3%
5	93,3%	18	84,7%
6	92,7%	19	84,0%
7	92,0%	20	83,3%
8	91,3%	21	82,7%
9	90,7%	22	82,0%
10	90,0%	23	81,3%
11	89,3%	24	80,7%
12	88,7%	25	80,0%
13	88,0%

Servizi di garanzia per la Potenza di uscita.
Se la potenza d'uscita del modulo è inferiore alla potenza garantita risultante dalla tabella,
Sharp deve a sua discrezione:
 riparare il rispettivo modulo o
 sostituire il rispettivo modulo o
 compensare la mancanza di potenza del modulo non all'altezza del valore garantito per la durata del periodo restante della garanzia di potenza per mezzo di pagamento.

La compensazione di pagamento è calcolata come somma forfettaria come segue:

€ 0,0007 euro è calcolato come pagamento per un watt di perdita di potenza per le prestazioni garantite per ogni giorno di funzionamento, oppure rimborsare il prezzo di acquisto per il rispettivo modulo senza detrazioni, dove SHARP può scegliere

questa forma di compensazione senza il consenso del cliente finale solo se il modulo è di età superiore a 10 anni e non ci sono più pezzi di ricambi adatti disponibili per SHARP, al fine di riparare o sostituire il modulo, o compensare la mancanza di potenza, fornendo moduli aggiuntivi, se il cliente finale ha spazio sufficiente per l'installazione di moduli aggiuntivi, che sono elettricamente compatibili con il sistema esistente.

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