Settembre 12, 2022

Di cosa sono fatti i pannelli solari? Spiegazione dei tipi di celle e delle parti di un pannello solare

La tecnologia dei pannelli solari sta avanzando rapidamente con una maggiore efficienza e prezzi più bassi con conseguente enorme aumento della domanda. Tuttavia, nonostante i massicci progressi tecnologici, la costruzione di base dei pannelli solari non è cambiata molto nel corso degli anni. La maggior parte dei pannelli solari è ancora costituita da una serie di celle di silicio cristallino inserite tra una lastra di vetro anteriore e una lastra posteriore di plastica polimerica supportata all’interno di un telaio in alluminio.

Una volta installati, i pannelli solari sono soggetti a condizioni severe nel corso della loro vita di oltre 25 anni. Le variazioni estreme di temperatura, umidità, vento e radiazioni UV possono sottoporre un pannello solare a uno stress enorme. Fortunatamente, la maggior parte dei pannelli è ben progettata per resistere a condizioni meteorologiche estreme. Tuttavia, alcuni pannelli possono ancora guastarsi in diversi modi, tra cui l’ingresso di acqua, le microfratture cellulari e il potenziale degrado indotto o PID. Questo è il motivo per cui è fondamentale che i pannelli solari vengano prodotti utilizzando solo componenti di altissima qualità. Nel nostro altro articolo, i migliori pannelli solari, mettiamo in evidenza i principali produttori che utilizzano materiali di altissima qualità insieme a test secondo i più alti standard del settore.

componenti per pannelli solari

Come sono fatte le celle solari?

I pannelli solari utilizzano celle fotovoltaiche, o celle fotovoltaiche, realizzate utilizzando wafer cristallini di silicio simili ai wafer utilizzati per realizzare processori per computer. I wafer di silicio possono essere policristallini o monocristallini e sono prodotti utilizzando diversi metodi di fabbricazione. Il tipo più efficiente è il monocristallino (mono) che viene prodotto utilizzando il noto processo Czochralski. Questo processo è più energivoro rispetto al policristallino (poli) e quindi più costoso da produrre.

I wafer policristallini, invece, sono leggermente meno efficienti e sono realizzati utilizzando diversi processi di purificazione seguiti da un metodo di colata più semplice ed economico. Più recentemente, le celle fuse monocristalline o fuse mono hanno guadagnato popolarità. Il motivo è dovuto al processo di colata a basso costo utilizzato per realizzare celle mono fuse che è simile al processo utilizzato per le celle in silicio policristallino. Tuttavia, i wafer mono fusi non sono altrettanto efficienti e i wafer mono puri realizzati utilizzando il processo Czochralski.

  • Celle in silicio monocristallino – Massima efficienza e costo più elevato
  • Celle monocristalline fuse – Alta efficienza e basso costo
  • Celle in silicio policristallino – Minore efficienza e minor costo

Produzione di celle solari

La produzione di comuni celle solari a base di silicio richiede una serie di processi diversi a partire da una materia prima chiamata quarzite, che è una forma di roccia arenaria di quarzo. La prima quarzite, detta anche sabbia silicea, viene convertita in silicio di grado metallurgico combinando carbonio e quarzite in un forno ad arco. Questo processo avviene a temperature molto elevate e si traduce in silicio puro al 99%. Il passaggio successivo consiste nel convertire il silicio di grado metallurgico in polisilicio puro utilizzando un processo di purificazione chimica chiamato processo Siemens o il silicio di grado metallurgico aggiornato (UMG-Si), utilizzando processi metallurgici meno costosi.

Successivamente, il polisilicio viene drogato con tracce di boro o fosforo per diventare silicio di tipo P o di tipo N. In questa fase, il silicio policristallino può essere fuso e colato in grandi blocchi rettangolari e tagliato a fette sottili utilizzando un metodo di taglio a filo diamantato per produrre i wafer policristallini o multicristallini.

Per produrre il wafer o le celle monocristallini più efficienti, il silicio drogato può essere trasformato in un lingotto di cristallo solido puro utilizzando il processo Czochralski. Questo processo prevede la fusione del silicio policristallino ad alta pressione e temperatura per far crescere lentamente un unico grande cristallo monocristallino noto come lingotto.

Passaggi per la produzione di celle fotovoltaiche monocristalline


La sabbia di silice viene purificata in un forno ad arco per creare silicio puro al 99%.

Il 99% di silicio viene ulteriormente raffinato vicino al 100% di silicio puro

Il silicio è drogato con boro o fosforo (tipo P o tipo N)

Il silicio drogato viene fuso ed estratto in un lingotto cristallino

Il lingotto tondo è tagliato a filo diamantato in sottili cialde quadrate

Il sottile wafer di base è rivestito con uno strato ultrasottile di silicio di tipo P o di tipo N per formare la giunzione PN.

Sulla superficie cellulare vengono aggiunti uno strato antiriflesso e dita metalliche

Vengono aggiunte sbarre a nastro piatto (come mostrato) o sbarre a filo sottile (MBB).

 

Come sono fatti i pannelli solari?

I pannelli solari sono realizzati utilizzando i sei componenti principali descritti in dettaglio di seguito e assemblati in impianti di produzione avanzati con estrema precisione. In questo articolo ci concentreremo sui pannelli realizzati utilizzando celle solari in silicio cristallino poiché queste sono di gran lunga la tecnologia solare più comune e con le migliori prestazioni oggi disponibile. Sono disponibili altre tecnologie solari fotovoltaiche come film sottile e celle serigrafate, ma non ne discuteremo in quanto hanno un uso limitato o sono ancora in fase di sviluppo.

Sei componenti principali di un pannello solare

  1. Celle solari fotovoltaiche
  2. Vetro temperato – da 3 a 3,5 mm di spessore
  3. Telaio in alluminio estruso
  4. Incapsulamento – Strati di pellicola EVA
  5. Backsheet in polimero
  6. Scatola di giunzione – diodi e connettori

Molti noti produttori di pannelli solari sono “integrati verticalmente”, il che significa che l’unica azienda fornisce e produce tutti i componenti principali, compresi i lingotti di silicio e i wafer utilizzati per realizzare le celle solari fotovoltaiche. Tuttavia, molti produttori di pannelli assemblano pannelli solari utilizzando parti di provenienza esterna tra cui celle, foglio posteriore in polimero e materiale incapsulante EVA. Questi produttori possono essere più selettivi sui componenti che scelgono, ma non sempre hanno il controllo sulla qualità dei prodotti, quindi dovrebbero essere sicuri di utilizzare i migliori fornitori disponibili.

1. Celle solari fotovoltaiche

Le celle solari fotovoltaiche o le celle fotovoltaiche convertono la luce solare direttamente in energia elettrica CC. Le prestazioni del pannello solare sono determinate dal tipo di cella e dalle caratteristiche del silicio utilizzato, i due tipi principali sono il silicio monocristallino e il policristallino. La base della cella fotovoltaica è un wafer molto sottile, in genere spesso 0,1 mm, ed è costituito da un silicio di tipo p positivo o da un silicio di tipo n negativo. Sono disponibili diverse dimensioni e configurazioni delle celle che offrono diversi livelli di efficienza e prestazioni, comprese celle semi-tagliate o divise, celle multi-busbar (MBB) e, più recentemente, celle a scandole che utilizzano sottili strisce di wafer sovrapposte. Per informazioni più dettagliate sui diversi tipi di celle e pannelli solari, vedere il completo

 

La maggior parte dei pannelli solari residenziali contiene 60 celle mono o policristalline collegate tra loro tramite sbarre in serie per generare una tensione compresa tra 30 e 40 volt, a seconda del tipo di cella utilizzata. I pannelli solari più grandi utilizzati per i sistemi commerciali e le fattorie solari su scala industriale contengono 72 o più celle e, a loro volta, funzionano a una tensione più elevata. I contatti elettrici che interconnettono le celle sono noti come sbarre e consentono alla corrente di fluire attraverso tutte le celle di un circuito.

 

2. Vetro


La lastra di vetro anteriore protegge le celle fotovoltaiche dalle intemperie e dall’impatto di grandine o detriti nell’aria. Il vetro è in genere un vetro temperato ad alta resistenza con uno spessore compreso tra 3,0 e 4,0 mm ed è progettato per resistere a carichi meccanici e sbalzi di temperatura estremi. Il test di impatto standard minimo IEC richiede che i pannelli solari resistano all’impatto di chicchi di grandine di 1 pollice (25 mm) di diametro che viaggiano fino a 60 mph (27 m/s). In caso di incidente o forte impatto, il vetro temperato è anche molto più sicuro del vetro standard poiché si frantuma in minuscoli frammenti anziché in sezioni taglienti e frastagliate.
Per migliorare l’efficienza e le prestazioni, la maggior parte dei produttori utilizza vetri altamente trasmissivi che hanno un contenuto di ferro molto basso e un rivestimento antiriflesso sul lato posteriore per ridurre le perdite e migliorare la trasmissione della luce.


3. Telaio in alluminio


Il telaio in alluminio svolge un ruolo fondamentale sia proteggendo il bordo della sezione in laminato che ospita le celle sia fornendo una solida struttura per montare il pannello solare in posizione. Le sezioni in alluminio estruso sono progettate per essere estremamente leggere, rigide e in grado di resistere a sollecitazioni e carichi estremi dovuti al vento forte e alle forze esterne.

Il telaio in alluminio può essere argento o nero anodizzato e, a seconda del produttore del pannello, le sezioni angolari possono essere avvitate, pressate o fissate insieme fornendo diversi livelli di resistenza e rigidità.

4. Pellicola EVA

EVA sta per “etilene vinil acetato”, uno strato polimerico altamente trasparente (plastica) appositamente progettato utilizzato per incapsulare le cellule e mantenerle in posizione durante la produzione. Il materiale EVA deve essere estremamente durevole e tollerante a temperature e umidità estreme, svolge un ruolo importante nelle prestazioni a lungo termine prevenendo l’ingresso di umidità e sporco.


La laminazione su entrambi i lati delle celle fotovoltaiche fornisce un certo assorbimento degli urti e aiuta a proteggere le celle e i cavi di interconnessione dalle vibrazioni e dall’impatto improvviso di chicchi di grandine e altri oggetti. Un film EVA di alta qualità con un alto grado di ciò che è noto come “reticolazione” può fare la differenza tra una lunga durata o un guasto del pannello dovuto all’ingresso di acqua. Durante la produzione, le celle vengono prima incapsulate con l’EVA prima di essere assemblate all’interno del vetro e del pannello posteriore.


5. Backsheet


Il backsheet è lo strato più posteriore dei comuni pannelli solari che funge da barriera contro l’umidità e da pelle esterna finale per fornire protezione meccanica e isolamento elettrico. Il materiale del backsheet è costituito da vari polimeri o plastiche tra cui PP, PET e PVF che offrono diversi livelli di protezione, stabilità termica e resistenza ai raggi UV a lungo termine. Lo strato del backsheet è in genere di colore bianco, ma è anche disponibile come trasparente o nero a seconda del produttore e del modulo.
Doppi pannelli in vetro – Alcuni pannelli come i pannelli bifacciali e senza cornice utilizzano un pannello in vetro posteriore invece di un backsheet in polimero. Il vetro del lato posteriore è più resistente e duraturo rispetto alla maggior parte dei materiali del backsheet, quindi alcuni produttori offrono una garanzia sulle prestazioni di 30 anni sui pannelli a doppio vetro.

6. Scatola di giunzione e connettori

La scatola di giunzione è una piccola custodia resistente alle intemperie situata sul lato posteriore del pannello. È necessario fissare saldamente i cavi necessari per interconnettere i pannelli. La scatola di giunzione è importante in quanto è il punto centrale in cui tutte le celle si interconnettono e deve essere protetta dall’umidità e dallo sporco.
Bypass diodi
La scatola di giunzione ospita anche i diodi di bypass necessari per prevenire il ritorno di corrente che si verifica quando le celle sono ombreggiate o sporche. I diodi consentono alla corrente di fluire solo in una direzione e un tipico pannello a 60 celle è diviso in 3 gruppi di 20 celle fotovoltaiche, ciascuna con un diodo di bypass per prevenire la corrente inversa. Sfortunatamente, i diodi di bypass possono guastarsi nel tempo e potrebbe essere necessario sostituirli, quindi il coperchio della scatola di giunzione può essere solitamente rimosso per la manutenzione, sebbene molti pannelli solari moderni ora utilizzino diodi più avanzati di lunga durata e scatole di giunzione non riparabili . Scopri di più su come funzionano i diodi di bypass qui.

I pannelli solari sono tossici?

Nonostante la grande quantità di informazioni che circolano sulla tossicità dei pannelli solari, i moderni pannelli solari in silicio cristallino non contengono praticamente materiali tossici. Le affermazioni sui pannelli solari tossici provengono dai pannelli solari a film sottile ( tellururo di cadmio – CdTe ) per lo più obsoleti che contenevano tracce di cadmio e tellururo. Tuttavia, a meno che questi pannelli (relativamente rari) non vengano frantumati, la quantità di tracce di cadmio è contenuta all’interno degli strati di EVA e non può fuoriuscire.

I moderni pannelli solari in silicio cristallino contengono solo una traccia di piombo nella saldatura utilizzata per le interconnessioni delle celle. Tuttavia, anche l’uso della saldatura viene gradualmente eliminato con le nuove tecniche di giunzione a compressione delle sbarre collettrici e i materiali in pasta conduttivi. Vale la pena notare che la saldatura viene utilizzata in centinaia di milioni di dispositivi ed elettrodomestici.

 

 

Progetto Elettrico

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