Un pannello e’ formato da un insieme di moduli fotovoltaici  a sua volta costituiti da celle fotovoltaiche, che sono dei  dispositivi optoelettronici,  in grado di convertire l’energia solare in energia elettrica, attraverso l’ effetto fotovoltaico.

schema di funzionamento di un pannello fotovoltaico

Un insieme di celle fotovoltaiche  formano un modulo, ed un insieme di moduli formano un pannello. Un insieme di pannelli sono chiamati stringa ed un insieme di stringhe formano un campo fotovoltaico o generatore fotovoltaico


Un pannello fotovoltaico è tipicamente impiegato come generatore di corrente in un impianto fotovoltaico. Può essere meccanicamente preassemblato , pratica caduta in disuso con il progressivo aumento delle dimensioni dei moduli, che ne hanno di fatto incorporato le finalità. Può essere esteticamente simile al pannello solare termico, ma, pur avendo entrambi l’energia solare (radiazione solare) come fonte di energia primaria, hanno scopi e funzionamento differenti.
La cella fotovoltaica, o cella solare, è l’elemento base nella costruzione di un modulo fotovoltaico. La versione più diffusa di cella fotovoltaica, quella in materiale cristallino, è costituita da una lamina di materiale semiconduttore, il più diffuso dei quali è il silicio, che si presenta in genere di colore nero o blu e con dimensioni variabili da 4 a 6 pollici. Piccoli esemplari di celle fotovoltaiche in materiale amorfo sono in grado di alimentare dispositivi elettronici quali calcolatrici, orologi etc. Analogamente al modulo, il rendimento della cella fotovoltaica è il rapporto tra l’energia elettrica prodotta dalla cella e l’energia della radiazione solare che investe la sua superficie. Valori tipici per gli esemplari in silicio multicristallino comunemente disponibili sul mercato si attestano attorno al 18%.

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

In commercio esistono moduli in 12, 18 o 24 V  che non indica la tensione  del modulo al suo punto di massima efficienza, ma dalla possibilità di collegarvi una batteria ricaricabile con analoga tensione nominale.
Se le celle del pannello sono collegate in serie, come si fa normalmente per ottenere una tensione in uscita più alta, non si ha il controllo delle singole celle, perché la corrente è uguale per tutte. La cella in ombra viene quindi attraversata da una corrente più forte di quella che genererebbe da sola e fa da strozzatura per l’intero sistema scaldandosi e potenzialmente danneggiandosi, oltre a disperdere energia. Ne deriva l’importanza che il pannello sia illuminato senza celle in zone d’ombra, ovvero che le celle abbiano esposizione solare simile. Tuttavia tanto più è grande il pannello, tanto più è probabile e ampia la differenza di esposizione e di corrente che la singola cella è in grado di produrre, a meno dell’utilizzo di inseguitori solari.

Efficienza di un pannello solare

In prima approssimazione la potenza elettrica generata da un modulo si può derivare dalle seguente formula:

P=\eta I_0sin(\alpha)S

dove:

  •  è l’irradianza solare perpendicolarmente alla direzione dei raggi solari espressa in Watt/mq
  •  è l’angolo di inclinazione del modulo rispetto alla radiazione solare incidente;
  •  è la superficie in m^2 del modulo;
  •  è un fattore di rendimento.

Si definisce rendimento o efficienza di un modulo fotovoltaico il rapporto espresso in percentuale tra energia captata e trasformata rispetto a quella totale incidente sulla superficie del modulo ed è dunque un parametro di qualità o prestazionale del modulo stesso; esso è quindi proporzionale al rapporto tra watt erogati e superficie occupata, a parità di altre condizioni. Come in tutti i sistemi di conversione energetica, l’efficienza del modulo fotovoltaico è sempre inferiore dell’unità (o 100%) per effetto di inevitabili perdite nel sistema reale.

L’efficienza ha effetti sulle dimensioni fisiche dell’impianto fotovoltaico: tanto maggiore è l’efficienza tanto minore è la superficie necessaria di pannello fotovoltaico per raggiungere un determinato livello di potenza elettrica. Inoltre per motivi costruttivi, il rendimento dei moduli fotovoltaici è in genere inferiore o uguale al rendimento della loro peggiore cella. L’efficienza a dipende principalmente dalla tecnologia costruttiva della cella/modulo.
Le principali  tecnologie costruttive sono:
Silicio Monocristallino: Vengono costruiti a partire da un lingotto di silicio monocristallino, vantaggio: presentano efficienza che arriva al 17%. Svantaggio: costo di produzione in quanto vi e’ parecchio spreco di materiale.
Silicio Policristallino: efficienza del 15-16% , costi piu’ bassi del monocristallino

Silicio “Ribbon”: Costruite a partire da silicio fuso colato in strati,  ha buona efficienza e costi di produzione inferiori ai due precedenti

Silicio amorfo depositato: Sono molto economiche nella produzione, (silicio depositato da fase di vapore) ma hanno bassa efficienza intorno all’8%.Celle fotoelettrochimiche: Simulano il processo di fotosintesi. Questo tipo di cella permette un uso più flessibile dei materiali e la tecnologia di produzione sembra essere molto conveniente. Tuttavia, i coloranti usati in queste celle soffrono problemi di degrado se esposti al calore o alla luce ultravioletta. Nonostante questo problema, questa è una tecnologia emergente con un impatto commerciale previsto entro una decina di anni. L’efficienza dei prototipi varia dal 10% al 30% 
Cella fotovoltaica ibrida: combina i vantaggi dei semiconduttori organici e di vari tipi di semiconduttori inorganici.
Cella fotovoltaica a concentrazione: unisce alle tecnologie di cui sopra, delle lenti a concentrazione solare che aumentano l’efficienza.

Moduli a film sottile: vengono realizzati tramite la deposizione del materiale semiconduttore su un supporto di tipo vetroso, per i pannelli rigidi da utilizzare all’aperto; oppure di plastica, nel caso di pannelli flessibili. I moduli in film sottile sono realizzati in maniera monolitica e non richiede l’assemblaggio di più celle, come nel caso di pannelli in silicio cristallino, inoltre la quantità di materiale semiconduttore presente nel pannello risulta notevolmente inferiore rispetto ai pannelli realizzati con celle standard riducendo i costi di produzione. Il processo di deposizione pero’ comporta un elevata difettosità, per cui  hanno un rendimento più basso degli equivalenti monocristallini.

Come scegliere un pannello solare

Le Caratteristiche tecniche delle celle fotovoltaiche che compongono i pannelli solari oggi sul mercato da tenere in forte considerazione sono:
– Potenza reale, in confronto a quella dichiarata
– Coefficiente di temperatura alla massima potenza.
– Rapporto tra la potenza generata con insolazione minima e potenza generata con insolazione massima
– Temperatura nominale di esercizio
– Efficienza totale dell’area raggiunta dall’insolazione
– Tolleranza negativa della potenza
– Riduzione annuale della potenza
– Dimensioni del pannello
– Costo