Celle fotovoltaiche e celle solari

La tecnologia fotovoltaica solare converte la luce in elettricità a livello atomico. L’effetto fotoelettrico fa sì che certi materiali semiconduttori assorbano particelle di luce solare o fotoni e liberino elettroni. Una cella fotovoltaica produce elettricità dalla luce visibile, una cella solare assorbe l’intero spettro delle radiazioni provenienti dal sole, non solo la porzione visibile, e converte la radiazione solare in energia sfruttabile. Quale fonte sicura, sostenibile ed efficiente di energia, i sistemi fotovoltaici e a celle solari sono impiegati come generatori di potenza isolati o integrati in rete, per alimentare molti tipi di apparecchiature, dai veicoli elettrici (EV) ai pannelli solari sui tetti, dal pompaggio dell’acqua ai sistemi di dissalazione.  

Le celle fotovoltaiche utilizzano i materiali semiconduttori deposti a strati come giunzioni pn per convertire l’energia della luce trasportata dai fotoni in corrente elettrica sotto forma di elettroni. La giunzione pn è un’interfaccia fra un semiconduttore di tipo p (materiale accettore di elettroni) e un semiconduttore di tipo n (materiale donatore di elettroni). Quando il fotone è assorbito dal semiconduttore di tipo n, un elettrone viene rimosso, generando così un elettrone libero e una coppia elettrone-lacuna. L’elettrone, a carica negativa, è attratto verso il materiale di tipo p e la lacuna, che ha carica positiva, è attratta dal materiale di tipo n. Se si chiude il circuito connesso agli elettrodi, l’elettrone libero si sposterà creando una corrente elettrica e una differenza di potenziale, finché non si ricongiunge con una lacuna elettronica di cui è ricco il materiale di tipo p.

L’efficienza dei sistemi fotovoltaici varia a seconda del tipo di tecnologia della cella e del tipo di materiale semiconduttore impiegati. Le prime celle solari erano costituite da materiali inorganici policristallini o monocristallini. In seguito a importanti sviluppi nel campo dell’elettronica e dei materiali organici, nella tecnologia fotovoltaica sono stati compiuti notevoli progressi.

Una cella solare organica è leggera e flessibile e può essere prodotta a basso costo a partire da donatori polimerici ad alte prestazioni, fullerene e accettori non-fullerenici (NFA), mediante processi di deposizione da soluzioni a bassa temperatura su conduttori trasparenti come l’ossido di indio e stagno (ITO) o l’ossido di stagno drogato con fluoro (FTO). I materiali organici di trasporto delle lacune (HTM) hanno permesso di sviluppare celle solari a perovskite ad alte prestazioni come alternativa più efficiente per catturare l’energia solare.

Le celle solari a perovskite usano di norma un materiale ibrido inorganico-organico come strato attivo per la cattura della luce. L’alta efficienza di conversione, il basso costo e la semplicità produttiva fanno di tali celle la tecnologia solare in più rapida espansione nell’ambito delle applicazioni commerciali. Le perovskiti basate su alogenuri di piombo presentano la massima efficienza di conversione e costituiscono la tecnologia per celle solari in più rapida crescita.