La cella e l’elemento base che compone il pannello fotovoltaico; si tratta di un dispositivo allo stato solido in grado di convertire l’energia solare in energia elettrica, con un rendimento compreso
tra il 10 e 15% (soltanto alcuni campioni di laboratorio superano il 20 %).
Le celle fotovoltaiche, dette anche celle solari, presentano rispetto alle altre fonti di energie alternative i seguenti vantaggi :
1. Non hanno nessuna parte in movimento (quindi elevata affidabilità e poca manutenzione).
2. Producono energia pregiata (energia elettrica).
3. Rendimenti buoni (se riferiti ad un processo convenzionale che sfrutti l’energia solare e produca energia elettrica).
4. Di facile trasporto e montaggio,  al momento lo svantaggio e’ il costo non competitivo rispetto ad altre forme di energia.

 Una cella solare è di fatto un generatore di corrente. Attraverso effetto fotovoltaico, trasduce in elettricità l’energia solare incidente.

schema di una cella fotovoltaica


Un  modello matematico utilizzato per l’analisi del suo funzionamento è l’equazione del diodo ideale di Shockley, si ha che la corrente che scorre sul carico vale:

I=I_s - I_0 \left( {e^{qV_0 \over \eta kT}-1} \right) - \frac{V_0}{R_p}


dove:

I – è l’intensità di corrente che scorre sul carico;
V0 – è la differenza di potenziale tra i due terminali del diodo, ovvero quella a vuoto (con I nulla);
Is – è l’intensità di corrente prodotta dal generatore, ed è proporzionale all’intensità della radiazione incidente sulla cella;
I0 – è la intensità di corrente di saturazione, un fattore direttamente proporzionale alla superficie della giunzione p-n;
q – è la carica elementare dell’elettrone;
k – è la costante di Boltzmann;
T – è la temperatura assoluta sulla superficie di giunzione tra la zone p ed n;
 n – eta è il coefficiente di emissione, anch’esso dipendente dal processo di fabbricazione ed è compreso generalmente tra 1 e 2 (fattore di idealità del diodo);
Rp – è la resistenza parallelo del modello.

Pannelli

In genere, per necessita’ pratiche, le celle fotovoltaiche vengono assemblate e incapsulate a gruppi in unico contenitore ermetico, in modo da formare i cosiddetti moduli fv (fotovoltaici). Tale struttura e’ l’elemento base per la realizzazione di un campo fotovoltaico. All’interno di tale elemento le
celle sono collegate in serie, una configurazione che permette di controllare la tensione ai morsetti del modulo.
In commercio esistono diversi tipi di pannelli realizzati con diverse tecniche, le loro caratteristiche vengono riferite a condizione di operativita’ standard stabilite dalla IEC  (Commissione elettronica internazionale)

tra cui:
– un irraggiamento solare di 1000 W/m2;
– temperatura di cella di 25 °C  
– posizione del sole a 1,5 AM (Optical Air Mass, corrisponde al caso in cui il sole sia posizionato in modo tale da formare con lo zenith un angolo di circa 48°). 

I pannelli fotovoltaici, non avendo nessuna parte in movimento, teoricamente la loro vita dovrebbe essere infinita, I moduli oggi disponibili  in commercio hanno un vita che non supera quasi mai i 20-30 anni.
Di norma, essendo i moduli l’elemento base nella progettazione degli impianti fv, le case costruttrici mettono a disposizione i loro dati di tecnici rilevati in condizione di standard. Dunque, è da notare che una buona interpretazione di tali dati dipende l’esito del dimensionamento di un impianto fv. In fine, i singoli moduli, per formare il campo fotovoltaico, vengono collegati in serie e/o in parallelo, a secondo dei valori di tensione e corrente richiesti dall’utente.
Prove sperimentali di laboratorio, forniscono le curve caratteristica delle celle e si utilizza come fonte luminosa una lampada speciale che simula lo spettro del sole.
L’utilizzo di una batteria a tensione variabile come carico ci permette di simulare un carico variabile, i dati registrati dall’esperimento vengono poi riportati su un grafico (vedi figura ), la curva risultante è ” la curva caratteristica della cella”.
Questa curva e’ valida per le celle fotovoltaiche in silicio.

La curva del grafico determina il comportamento della cella in ogni condizione, e come si vede e’ molto simile alla curva di un diodo ( difatti e’ una giunzione p-n).

La zona della caratteristica usata nel funzionamento e’ quella al di sotto dell’asse x, ribaltando rispetto a questo  (ovvero riportando le correnti negative in modulo) otterremo queste curve

Tre sono i punti importanti:

M: E’ la corrente di cortocircuito della cella ovvero la corrente erogata quando ai capi della cella vi e’ un corto circuito.

N: E’ la tensione ai capi della cella quando viene applicato un carico infinito (cioe’ a circuito aperto)

A: E’ il punto di massima potenza, ovvero quando il prodotto tra tensione e’ corrente e’ al valore massimo.

le varie curve dipendono dal livello di illuminazione (ovvero dalla radiazione luminosa incidente sulla cella).

Potenza:

In termini tecnici, il kilowatt picco (kw picco o kWp) è l’unità di misura della potenza massima che può essere prodotta, in linea teorica, da un generatore elettrico la cui potenza varia nel tempo, com’è il caso tipico di un impianto fotovoltaico.
Il numero di kWp indica  allora la potenza massima teorica di un modulo fotovoltaico, ossia la potenza che tale modulo potrebbe produrre se sottoposto a specifiche condizioni ottimali (stabilite con precisione dallo IEC, Commissione elettronica internazionale)
si tratta quindi di un valore che attiene alle caratteristiche tecniche del modulo indipendentemente dalla zona dove viene installato.
La potenza di un impianto fotovoltaico (in un certo senso la sua dimensione, almeno in termini di capacità produttiva potenziale) si misura quindi in kW picco, indicati con la sigla kWp, per cui si parla ad esempio di impianti fotovoltaici da 3 kWp, da 10 kWp e così via, ovvero di impianti che, nelle condizioni ottimali standard stabilite dallo IEC, producono rispettivamente una potenza di 3 Kw, 10 Kw ….La concreta produzione di energia elettrica di un modulo fotovoltaico dipenderà quindi dalla combinazione della sua potenza teorica, espressa in termini di kilowatt picco (kWp), con le reali condizioni di irradiamento dell’area geografica in cui viene collocato.
Per avere un ordine di grandezza, diciamo che in Italia la produzione di energia fotovoltaica per kW picco di potenza può variare da un minimo di 900-1000 kWh a un massimo 1500 kWh all’anno, il che significa per esempio che un impianto di 3 kWp di potenza collocato in Italia produce generalmente più di 3.000 kWh e  4.500 kWh all’anno.