Questa ingegnosa tecnologia sfrutta l'effetto fotovoltaico, un fenomeno fisico in cui i fotoni solari colpiscono la superficie di un semiconduttore, determinando il rilascio di elettroni e la generazione di una corrente elettrica sfruttabile.

L'effetto fotovoltaico è un fenomeno fondamentale della fisica che è alla base del funzionamento delle celle fotovoltaiche. Si verifica quando la luce, sotto forma di fotoni, colpisce la superficie di un materiale semiconduttore, come il silicio utilizzato nelle celle solari. Quando i fotoni interagiscono con il materiale, trasferiscono la loro energia agli elettroni nella struttura del semiconduttore.

L'energia dei fotoni eccita gli elettroni, che li libera dalle loro orbite atomiche. Questi elettroni rilasciati acquisiscono quindi energia cinetica e si muovono attraverso il materiale. È questo movimento di elettroni che genera una corrente elettrica. Tuttavia, nel loro stato eccitato, gli elettroni tendono a ricombinarsi con i buchi (gli spazi lasciati dagli elettroni mancanti) nel materiale, il che potrebbe annullare l'effetto fotovoltaico.

Per evitare questa ricombinazione indesiderata, le celle fotovoltaiche sono progettate per creare una giunzione PN. In una tipica cella solare, lo strato superiore del materiale semiconduttore è drogato con atomi che hanno elettroni in eccesso (tipo n), mentre lo strato inferiore è drogato con atomi con lacune in eccesso (tipo p). Questa configurazione crea un campo elettrico che dirige gli elettroni rilasciati allo strato di tipo n e le lacune allo strato di tipo p.

Di conseguenza, gli elettroni rilasciati dall'effetto fotovoltaico vengono raccolti sulla superficie di tipo n della cella fotovoltaica, mentre i fori vengono raccolti sulla superficie di tipo p. Questa separazione di cariche crea un potenziale elettrico tra i due strati, generando così una corrente elettrica costante quando la luce solare colpisce la cella. Questa corrente può quindi essere utilizzata come fonte di elettricità per alimentare apparecchi elettrici o essere immagazzinata in batterie per un uso successivo. Nel loro stato eccitato nella banda di conduzione, questi elettroni sono liberi di muoversi attraverso il materiale, ed è questo movimento dell'elettrone che crea una corrente elettrica nella cellula.

Queste celle sono costituite da un singolo cristallo di silicio, che conferisce loro una struttura uniforme e un'elevata efficienza.
L'esclusivo orientamento del cristallo consente una migliore cattura dei fotoni solari, con conseguente elevata efficienza.
Tuttavia, il processo di produzione è più complesso, con conseguenti costi di produzione più elevati.

Realizzate con blocchi di silicio composti da più cristalli, queste celle sono più facili ed economiche da produrre rispetto ai monocristallini.
I confini tra i cristalli possono ridurre leggermente l'efficienza, ma i progressi tecnici hanno migliorato le loro prestazioni nel tempo.
Offrono un buon equilibrio tra costi, efficienza e sostenibilità.

Queste celle sono realizzate depositando un sottile strato di materiale semiconduttore direttamente su un substrato, come vetro o metallo.
Sono più leggeri e flessibili delle celle al silicio, consentendo loro di essere integrati in varie applicazioni, come i tetti solari morbidi.
L'efficienza è generalmente inferiore a quella delle celle al silicio, ma i progressi tecnologici mirano a migliorarne l'efficienza.

Queste celle combinano diversi strati di materiali semiconduttori, creando un'interfaccia di eterogiunzione.
L'interfaccia promuove un'efficiente separazione della carica e riduce le perdite dovute alla ricombinazione di elettroni e lacune.
Le celle HIT hanno buone rese e migliori prestazioni alle alte temperature.

Le celle a base di perovskite sono relativamente nuove e hanno suscitato grande interesse grazie alla loro facilità di produzione e all'elevato potenziale di efficienza.
I materiali di perovskite possono essere depositati da soluzioni liquide, aprendo la porta a processi di produzione meno costosi.
Tuttavia, la sostenibilità e la stabilità a lungo termine in varie condizioni rimangono delle sfide. La maggior parte delle celle fotovoltaiche commerciali sono a giunzione singola, ma sono state sviluppate anche celle fotovoltaiche multi-giunzione per ottenere maggiori efficienze a un costo più elevato.

Monocristallino : Realizzate con un unico cristallo di silicio, queste celle offrono un'elevata efficienza grazie alla loro struttura omogenea. Tuttavia, il loro processo di produzione è complesso e costoso.
Policristallino : Realizzate con diversi cristalli di silicio, queste celle sono più economiche da produrre rispetto ai monocristallini. Tuttavia, la loro efficacia è leggermente inferiore a causa dei confini tra i cristalli.

Telluride di cadmio (CdTe) : queste celle utilizzano il tellururo di cadmio come materiale semiconduttore. Sono convenienti da produrre e sono spesso utilizzati in applicazioni su larga scala. Tuttavia, il cadmio è tossico, il che solleva preoccupazioni ambientali.
Seleniuro di rame, indio gallio (CIGS) : queste cellule sono composte da strati di rame, indio, gallio e selenio. Offrono un'elevata efficienza e possono essere realizzati su superfici flessibili, rendendoli adatti per alcune applicazioni speciali.

Queste celle utilizzano polimeri organici o materiali a base di carbonio per convertire la luce in elettricità. Di solito sono leggeri e flessibili, ma la loro efficacia è spesso inferiore a quella di altri tipi di cellule.

Le celle a perovskite sono relativamente nuove, ma stanno suscitando grande interesse grazie al loro elevato potenziale di efficienza e ai costi di produzione potenzialmente ridotti. Usano un materiale cristallino chiamato perovskite per catturare la luce.