Vediamo come è fatto un modulo fotovoltaico, o modulo solare, in particolare un modulo fotovoltaico con celle solari in silicio cristallino (da adesso in poi ‘modulo c-Si’).
Un modulo c-Si è composto dai seguenti elementi:
- superficie frontale
- incapsulante
- celle solari
- superficie posteriore
- telaio
- scatola di giunzione
Esaminiamo nel dettaglio ognuno di questi componenti.
La superficie frontale è una superficie materiale che ha la funzione di far passare la radiazione solare su di essa incidente e, allo stesso tempo, di proteggere i componenti sottostanti. Essa presenta una bassa riflessione nell'intervallo di lunghezze d'onda compreso tra 350 nm e 1200 nm, che è l'intervallo in cui operano le celle solari al silicio. Per ridurre al minimo la riflessione, in genere si applica un rivestimento antiriflesso. Tuttavia, nella pratica questi rivestimenti generalmente non sono sufficientemente resistenti alle condizioni in cui viene impiegata la maggior parte degli impianti fotovoltaici. Una tecnica alternativa è quella di strutturare la superficie frontale, ma anche questo ha uno svantaggio: con una superficie strutturata inferiore al millimetro, la polvere e lo sporco hanno maggiori probabilità di attaccarsi ad essa e meno probabilità di essere spostati dal vento o dalla pioggia, per cui i vantaggi della riflessione ridotta vengono rapidamente superati dalle perdite subite a causa dell'aumento dell'ombreggiamento dovuto alle particelle di polvere.
Requisiti aggiuntivi della superficie frontale sono una buona resistenza agli urti, una bassa resistività termica, e stabilità in condizioni di esposizione prolungata ai raggi UV.
Tra le possibili scelte di un materiale per la superficie frontale ci sono l'acrilico e i polimeri. Tuttavia, il più comunemente utilizzato è il vetro temperato a basso contenuto di ferro, poiché è economico, resistente, stabile, altamente trasparente, impermeabile all'acqua e ai gas e ha buone proprietà autopulenti.
L'incapsulante è l’insieme di due sottili pellicole che aderendo insieme garantiscono adesione tra le celle solari e tra queste e la superficie frontale e posteriore nonché protezione alle medesime celle solari e ai contatti di interconnessione dall'ambiente esterno. Infatti, poiché le singole celle solari sono relativamente sottili, senza incapsulamento sarebbero vulnerabili a danni meccanici. Inoltre, la griglia metallica sulla superficie superiore della cella solare e i contatti che collegano tra loro le singole celle solari sono sensibili alla corrosione da parte dell'acqua o del vapore acqueo. Pertanto, un buon incapsulamento nonché un telaio solido sono essenziali per prevenire i danni meccanici e da corrosione alle celle solari.
L’incapsulamento è realizzato con un materiale stabile a temperature elevate e sotto elevata esposizione ai raggi UV nonché otticamente trasparente e con una bassa resistenza termica. Il materiale più comunemente usato è l'Etil Vinil Acetato, o EVA. Questo materiale presenta un indice di rifrazione molto vicino a quello del vetro, quindi le perdite per riflessione causate dall'incapsulamento sono minime.
Le celle solari sono l’elemento fondamentale di un modulo c-Si. Esse sono collegate tra loro elettricamente e meccanicamente a formare un'unica unità stabile e di lunga durata.
La superficie posteriore è una superficie materiale che presenta una bassa resistenza termica e impedisce la diffusione del vapore acqueo. Nella maggior parte dei moduli fotovoltaici, come superficie posteriore viene utilizzato un sottile foglio polimerico, tipicamente Tedlar.
Alcuni tipi speciali di moduli fotovoltaici sono progettati per assorbire la luce da entrambi i lati. In questi cosiddetti moduli bifacciali, anche la superficie posteriore risulta otticamente trasparente.
L’ultimo componente strutturale è il telaio. Si tratta di una cornice montata attorno al bordo esterno dei moduli con la funzione di fornire rigidezza al modulo stesso nonché resistenza alle azioni dell’ambiente esterno.
Un componente aggiuntivo del modulo c-Si è la scatola di giunzione. Si tratta di una scatola di plastica situata nella parte posteriore del modulo, è progettata per il collegamento elettrico del modulo all'esterno. Al suo interno è presente un interruttore che permette di collegare tutte le celle solari in serie oppure alcune celle solari in serie e le stringhe in parallelo: in questo modo è possibile modificare la tensione e la corrente di uscita del modulo. Di solito la scatola di giunzione contiene anche dei diodi di bypass.
Un parametro importante di un modulo fotovoltaico in generale è la densità di impaccamento delle celle solari.
La densità di impacchettamento è definita come l'area combinata di tutte le celle solari rispetto all'area totale del modulo fotovoltaico.
Per i moduli mono c-Si (moduli fotovoltaici con celle solari al silicio monocristallino) fabbricati due decenni fa, il silicio cristallino ad alta purezza veniva prodotto in barre circolari (lingotti), e di conseguenza le celle solari erano tagliate in forme circolari. Come è facilmente intuibile, ciò non portava ad un'elevata densità di impaccamento (vedi figura). Al giorno d'oggi, con i miglioramenti nella colata del silicio, è possibile crescere lingotti molto più grandi e ottenere wafer semi-quadrati (ottagonali) con cui realizzare un’elevata densità di impacchettamento. Tuttavia, anche in questo caso, la radiazione solare può ancora penetrare tra le celle solari.
La densità di impaccamento è importante, poiché influisce direttamente sulla potenza di uscita del modulo fotovoltaico e sulla sua temperatura operativa.
Un modulo c-Si, come in generale qualsiasi modulo fotovoltaico, deve resistere alle influenze esterne per rimanere funzionante per 25 anni o anche di più. Per garantire questa durata, i materiali utilizzati per creare i moduli fotovoltaici sono scelti con cura. Non solo in termini di prestazioni, ma anche di stabilità.