Il sito perthirtysix.com ci introduce, attraverso schemi, animazioni e grafici al funzionamento di un pannello solare, scoprendo che tra le altre cose che l’efficienza è molto piu bassa di quanto si possa pensare.

Every hour, the Earth receives enough sunlight to power all of human civilization for a year. It arrives silently, from all directions, at no cost. We’ve known for decades how to convert this energy into usable electricity at scale using one of the most abundant elements on Earth.

L’articolo, a firma di Shri Khalpada, inizia spiegando brevemente come viene generata l’energia che riceviamo dal sole, per poi passare a descrivere il Silicio e la sua struttura atomica. Quando gli atomi di silicio formano legami con altri atomi dello stesso tipo si genera una struttura chiamata lattice (=reticolo), che è quella con cui sono fatte le celle dei pannelli solari.

Quando i fotoni colpiscono il pannello, dagli atomi di silicio si liberano elettroni (e calore). Il punto sta tutto nel fare in modo che si liberino il massimo di elettroni con il minimo di calore perso.

The name of the game is to maximize freed electrons and minimize heat, since the electrons are what we want to channel into electricity.

Questo sarebbe semplice da fare, se si usasse un laser per colpire il pannello solare. Peccato che il costo del laser sarebbe estremamente più elevato del costo del pannello stesso… Quindi è necessario utilizzare la luce solare così com’è, e cercare di ottimizzare il risultato fra elettroni rilasciati e calore prodotto.

Vari studi hanno dimostrato che il silicio, con la sua bandgap di 1.12 eV (elettronvolt), è il materiale che più si avvicina alla massima conversione della luce solare in elettricità.

Peccato che questo limite massimo di efficienza, per via del limite di Shockley-Queisser (Shockley-Queisser limit) sia “solo” del 33%

They showed that for a cell tuned to a single bandgap (also called a single-junction cell), regardless of material or engineering, there’s a hard theoretical ceiling on efficiency of around 33%. This is the Shockley-Queisser limit.

Tuttavia la dura realtà ci mostra che l’efficienza delle celle degli attuali pannelli fotovoltaici oscilla fra il 20% ed il 23%.

Non tutto è perduto, però: con un procedimento di doping (drogaggio) si può modificare il comportamento del silicio, rendendo più efficiente il modo con cui trasporta gli elettroni.

The fix is to add imbalance. By introducing trace amounts of impurities into the crystal, roughly one foreign atom per million silicon atoms, you can completely change how it behaves electrically. This process, almost too simple to be true, is called doping.

L’articolo prosegue con una breve spiegazione di come funzioni il collegamento dei pannelli all’impianto di casa ed alla rete elettrica generale, e sottolinea che i costi di produzione dei pannelli fotovoltaici siano crollati di oltre il 90% dal 1970. “Ma allora, perché non abbiamo pannelli fotovoltaici ovunque?” si chiede, giustamente, l’autore.

La spiegazione risiede nei cosiddetti “soft costs“: manodopera per l’installazione, spese per le autorizzazioni, spese generali e margine di profitto. Per gli stessi pannelli fotovoltaici, negli Stati Uniti il costo di installazione è circa quattro volte superiore che in Australia, a causa dei costi indiretti.

Un altro problema, infine, è rappresentato dalla rete elettrica: questa è stata costruita per pochi produttori, molto grandi e controllabili, non per moltissimi piccoli produttori, attivi solo quando c’è il sole. La curva che spiega questa difficoltà è chiamata “the duck curve“: durante la giornata la richiesta di elettricità dalla rete crolla, per poi risalire in maniera molto veloce al calare del sole. Dice l’articolo:

When solar drops off at sunset, the grid needs to spin up an enormous amount of power very quickly. Ironically, the plants that can do that fastest tend to burn fossil fuels.

La soluzione, quindi, ha molti aspetti: uso delle batterie, reti più flessibili e interconnesse, ed una miscela di produttori di elettricità che comprendano sole, vento, acqua e nucleare è molto più flessibile e resiliente di pochi produttori basati su una singola tecnologia.

[N.d.M.: nell’articolo si parla di generici pannelli solari, ma si intendono i pannelli solari fotovoltaici. In questa introduzione sono stati usati entrambi i termini in maniera intercambiabile]