Un pannello fotovoltaico converte energia luminosa in energia elettrica sfruttando l’effetto fotovoltaico in materiali semiconduttori. Il dispositivo elementare non è il pannello, ma la cella solare: una giunzione p-n progettata affinché i fotoni incidenti generino coppie elettrone-lacuna e un campo elettrico interno le separi prima che si ricombinino.
Il principio fisico richiede che l’energia del fotone sia sufficiente a superare il bandgap del semiconduttore:
dove è la costante di Planck, la frequenza della radiazione ed l’energia di bandgap. Se il fotone viene assorbito, può liberare un elettrone dalla banda di valenza alla banda di conduzione.
Giunzione e separazione delle cariche
La giunzione p-n crea una regione di svuotamento in cui esiste un campo elettrico interno. Quando la luce genera cariche in prossimità di questa regione, il campo separa elettroni e lacune in direzioni opposte. Collegando un carico esterno, la separazione diventa corrente elettrica utile.
Una cella fotovoltaica reale è descritta da una curva corrente-tensione. A circuito aperto si misura la tensione ; in cortocircuito la corrente . Tra questi estremi esiste un punto in cui il prodotto è massimo: il punto di massima potenza.
Modulo, stringhe e MPPT
Un pannello è un insieme di celle collegate in serie e parallelo, protette da vetro, incapsulante, cornice e diodi di bypass. Le celle in serie aumentano la tensione, quelle in parallelo aumentano la corrente. Più pannelli possono essere collegati in stringhe per formare un generatore fotovoltaico.
Poiché irraggiamento e temperatura cambiano continuamente, il punto di massima potenza si sposta. Per questo gli inverter e i regolatori usano algoritmi MPPT (maximum power point tracking) che regolano il punto operativo del generatore per estrarre la massima potenza disponibile.
Perdite e rendimento
Il rendimento è limitato da perdite ottiche, ricombinazione delle cariche, resistenza serie, temperatura, ombreggiamenti, mismatch tra celle e conversione elettronica. L’aumento di temperatura, in particolare, riduce la tensione disponibile e quindi la potenza.
Il pannello fotovoltaico è dunque un sistema in cui fisica quantistica, tecnologia dei semiconduttori, packaging, elettronica di potenza e controllo cooperano per trasformare luce solare in energia elettrica utilizzabile.