Tipologie di moduli fotovoltaici

Silicio naturale

Dei tanti materiali esistenti per la costruzione dei moduli fotovoltaici, il silicio è in assoluto il più utilizzato. Limitando l'analisi ai soli prodotti commerciali, le tecnologie di realizzazione più comuni sono:

MODULI CRISTALLINI
Silicio monocristallino: ogni cella è realizzata a partire da un wafer la cui struttura cristallina è omogenea (monocristallo). Per produrre celle di silicio monocristallino è necessario del materiale semiconduttore altamente puro. Con del silicio fuso vengono formate delle barre monocristalline, tagliate poi a lastre sottili. Siccome la produzione è molto complessa, si tratta del tipo di celle solari più costoso, ma anche il più efficiente.

Silicio policristallino: il wafer non è strutturalmente omogeneo ma organizzato in grani localmente ordinati (policristallo). La fabbricazione di celle policristalline è più semplice: il silicio liquido è colato in blocchi, che vengono poi tagliati in lastre. Durante la solidificazione del materiale, si formano strutture cristalline di varia grandezza, la cui superficie presenta dei difetti. A causa di queste caratteristiche il costo ma anche il rendimento sono inferiori.

MODULI A FILM SOTTILE
Silicio amorfo: gli atomi di silicio vengono deposti chimicamente in forma amorfa, ovvero strutturalmente disorganizzata, sulla superficie di sostegno che può essere dei più svariati materiali e forme. Questa tecnologia impiega quantità molto esigue di silicio (spessori dell'ordine del micron). I moduli in silicio amorfo dimostrano in genere di un’efficienza meno costante delle altre tecnologie, pur avendo garanzie in linea con il mercato. Il dato più interessante riguarda l'EROEI*, che fornisce valori molto alti (in alcuni casi arrivano anche a 10), il che attesta l'economicità di questa tecnologia.

Moduli a film sottile

VARIANTI
Eterogiunzione, testualmente giunzione tra sostanze differenti, in cui viene impiegato uno strato di silicio cristallino come superficie di sostegno di uno o più strati amorfi o cristallini, ognuno dei quali ottimizzato per una specifica banda di radiazioni solari;

Silicio microsferico, in cui si impiega silicio policristallino ridotto in sfere del diametro di circa 0,75 mm imprigionate in un substrato di alluminio;

Delle tecnologie citate, soltanto l'amorfo e il microsferico permettono la flessione del modulo: nel caso dell'amorfo non vi è la struttura cristallina del materiale ad impedirne la flessione, nel caso del microsferico non è la cella (sfera) a piegarsi, ma la griglia a nido d'ape su cui è collocata.

PRESTAZIONI E RENDIMENTI
 Le prestazioni dei moduli fotovoltaici sono suscettibili di variazioni anche sostanziose in base:

• al rendimento dei materiali;
• alla tolleranza di fabbricazione percentuale rispetto ai valori di targa; 
• all'irraggiamento a cui le sue celle sono esposte; 
• all'angolazione con cui questa giunge rispetto alla sua superficie; 
• alla temperatura di esercizio dei materiali, che tendono ad "affaticarsi" in ambienti caldi; 
• alla composizione dello spettro di luce.

Per motivi costruttivi, il rendimento dei moduli fotovoltaici è in genere inferiore o uguale al rendimento della loro peggior cella.
Con il termine "rendimento" si intende la percentuale di energia catturata e trasformata rispetto a quella totale giunta sulla superficie del modulo, e può essere considerato un indice di rapporto tra watt erogati e superficie occupata, a parità delle altre condizioni.

Alcuni pannelli, per uso aerospaziale ancora allo stadio sperimentale, hanno rendimenti nominali che raggiungono anche il 40%, e sono comunque prodotti con materiali rari e costosi ed altamente tossici; invece valori tipici riscontrabili nei prodotti commerciali a base silicea si attestano intorno al:

• 16% nei moduli in eterogiunzione;
• 14% nei moduli in silicio monocristallino;
• 13% nei moduli in silicio policristallino;
• 10% nei moduli in silicio microsferico;
• 6% nei moduli in silicio amorfo.

Ne consegue che ad esempio a parità di produzione elettrica richiesta, la superficie occupata da un campo fotovoltaico amorfo sarà più che doppia rispetto ad un equivalente campo fotovoltaico cristallino.

A causa del naturale affaticamento dei materiali, le prestazioni di un pannello fotovoltaico comune diminuiscono di circa un punto percentuale su base annua. Per garantire la qualità dei materiali impiegati, è prassi comune che i produttori coprano con un certificato di garanzia oltre ai difetti di fabbricazione anche il calo di rendimento del pannello nel tempo. La garanzia oggi più comune è del 90% sul nominale per 10 anni e dell'80% sul nominale per 25 anni.

I moduli fotovoltaici odierni hanno una vita media di 30 anni circa, anche se è plausibile ipotizzare che vengano dismessi dopo un ciclo di vita di 15-20 anni, a causa dell'obsolescenza della loro tecnologia.