L'efficienza di un impianto fotovoltaico è la misura di quanta dell'energia solare disponibile una cella solare converte in energia elettrica. La maggior parte delle tipiche celle solari al silicio ha un'efficienza massima di circa il 15%. Tuttavia, anche un sistema solare con un'efficienza del 15% può alimentare la casa media in modo economico.
Da dove viene l'energia?
L'energia alla luce del sole arriva in pacchetti chiamati fotoni. Questi fotoni trasportano una quantità specifica di energia a seconda della loro lunghezza d'onda. Al diminuire della lunghezza d'onda, l'energia di un fotone aumenta. Questi fotoni eccitano gli elettroni nella cella solare, che li fa fluire attraverso i circuiti, creando corrente elettrica. Per liberare un elettrone nel silicio, un fotone necessita di almeno 1,1 elettronvolt di energia. Un elettronvolt è la quantità di energia necessaria per spostare un elettrone attraverso una differenza di potenziale di un volt. Se un fotone ha più di 1,1 elettronvolt, un elettrone si muoverà attraverso il circuito, ma l'energia in eccesso verrà rilasciata sotto forma di calore. Questo è uno dei motivi per cui le celle solari hanno un'efficienza così bassa; hanno bisogno solo di una quantità di energia molto specifica per funzionare.
Quanta energia fornisce il sole?
Il Sole fornisce una diversa quantità di energia a seconda di dove ti trovi sulla Terra e di dove si trova nel cielo. I pannelli solari sono generalmente classificati assumendo condizioni standard note come AM1.5. Questo sta per massa d'aria 1,5, che è la condizione di prova accettata per i pannelli solari. A AM1.5, il sole fornisce 1.000 watt per metro quadrato. Tuttavia, l'energia solare effettivamente disponibile varia in base alla posizione, alle condizioni meteorologiche e all'ora del giorno.
Quale percentuale dell'energia solare possono utilizzare le celle solari?
Per comprendere la potenza del sole, usiamo un modello di radiazione chiamato spettro del corpo nero. Lo spettro del corpo nero ci dice la distribuzione dell'energia degli oggetti a diverse lunghezze d'onda. Sulla base di uno spettro del corpo nero, il 23 percento dell'energia del sole ha una lunghezza d'onda troppo lunga per essere utile ai pannelli solari. Quei fotoni passeranno semplicemente attraverso la cella. Altre lunghezze d'onda hanno una certa energia in eccesso. In effetti, un altro 33 percento dell'energia solare è energia in eccesso che è inutilizzabile anche per le celle solari al silicio. Pertanto, questo lascia solo il 44 percento dell'energia solare disponibile per le celle solari al silicio. Una parte maggiore di questa energia viene persa a causa della riflessione e di altri processi nella cellula stessa. Quindi, mentre l'efficienza massima teorica può essere maggiore, l'efficienza reale delle celle di silicio è solitamente intorno al 15%.
Come aumentiamo l'efficienza del pannello?
Al fine di aumentare l'efficienza dei pannelli solari, possiamo migliorare e diversificare i materiali che utilizziamo per realizzarli. Materiali diversi richiedono una diversa quantità di energia fotonica per produrre corrente. Pertanto, i pannelli ibridi possono coprire diversi valori di elettronvolt al fine di massimizzare l'energia catturata. Un problema con questo approccio è il costo di produzione. Il pannello solare standard è realizzato in silicio, che è ampiamente disponibile e ben compreso. Man mano che i materiali utilizzati nei pannelli solari diventano più rari e specializzati, il costo di produzione aumenta. Pertanto, un aumento dell'efficienza comporta un aumento dei costi.