Cella solare

Una cella solare è una sottile fetta di semiconduttore in cui la luce libera elettroni che un campo elettrico interno spinge verso i contatti sotto forma di corrente, senza parti mobili né combustibile. I Bell Labs presentarono la prima cella al silicio utilizzabile nel 1954, e l'energia solare ha fornito l'8,7% dell'elettricità mondiale nel 2025.

Che cos’è

Una cella solare trasforma la luce direttamente in corrente elettrica, senza parti mobili né combustibile. Quasi tutte sono fette quadrate di silicio poco più larghe di una mano. Ognuna dà circa mezzo volt al sole, perciò se ne collegano decine sotto un vetro per formare un pannello, come quello da 36 celle della tavola.

La data scelta è l’aprile 1954, quando i Bell Labs presentarono una cella al silicio che convertiva circa il 6% della luce solare in elettricità, abbastanza per alimentare apparecchi veri. Becquerel aveva visto la luce produrre corrente già nel 1839, ma le celle al selenio costruite dal 1883 restavano sotto l’1%.

Come funziona

Le celle si tagliano da un monocristallo di silicio fatto crescere dal fuso; oggi una fetta è spessa circa 0,14 mm.

Il silicio puro conduce poco. Il drogaggio con una traccia di fosforo gli dà elettroni in più (tipo n); una traccia di boro lascia delle lacune che si comportano come cariche positive (tipo p). Una cella classica è una fetta drogata con boro la cui faccia anteriore viene impregnata di fosforo per meno di un millesimo di millimetro. Dove le due zone si incontrano, elettroni e lacune si annullano in una fascia stretta. Restano cariche fisse che mantengono un campo elettrico permanente attraverso questa giunzione p-n.

Un fotone con abbastanza energia strappa un elettrone dal suo legame nel cristallo e lascia una lacuna al suo posto. Vicino alla giunzione, il campo spinge l’elettrone verso il lato n e la lacuna verso il lato p. Gli elettroni si raccolgono nelle dita anteriori, percorrono il circuito esterno, dove accendono una lampada o caricano una batteria, e tornano dal contatto posteriore.

A vuoto una cella segna circa 0,6–0,7 V, e circa 0,5 V quando eroga potenza. La tensione cambia poco con la luce, mentre la corrente la segue: metà luce, più o meno metà corrente. In serie le tensioni si sommano; 36 celle lavorano così a circa 17 V, quanto basta per caricare una batteria da 12 V. In parallelo si sommano le correnti. Una sola cella in ombra frena tutta la sua stringa, ed è per questo che i pannelli contengono diodi di bypass.

Il silicio lascia passare senza usarla la luce infrarossa oltre circa 1,1 micrometri, e i fotoni con energia in eccesso disperdono il surplus in calore. Nel 1961 William Shockley e Hans-Joachim Queisser dimostrarono che queste perdite limitano una cella a giunzione singola a circa un terzo della luce solare. Il silicio ha in più perdite proprie del cristallo, che abbassano il suo limite a circa il 29%; la migliore cella di laboratorio raggiungeva il 28,1% nel 2026. Anche il calore riduce la resa: una cella al silicio convenzionale perde circa lo 0,4–0,5% della potenza per ogni grado Celsius, soprattutto per il calo di tensione.

Come farlo

Fabbricare celle è un lavoro da fabbrica. Un piccolo impianto a 12 V con pannelli acquistati, componenti compatibili e le istruzioni di ciascun produttore è invece alla portata di un dilettante attento.

Dimensionare il pannello. Quattro lampade LED da 5 W accese 4 ore e una radio da 10 W per 2 ore consumano 100 wattora (Wh) al giorno. Un pannello rende circa la sua potenza nominale × le ore di sole equivalenti (l’energia solare del giorno contata in ore di pieno sole, nel mese più buio) × 0,7 per calore, polvere e cavi. Un pannello da 100 W con 3 ore di sole equivalenti dà circa 210 Wh: un buon margine.

Scegliere la batteria. Prevedete da uno a tre giorni nuvolosi. Una batteria al piombo dura di più se raramente scende sotto la metà. Una al litio-ferro-fosfato si può usare quasi per intero, ma solo con la sua elettronica di gestione e un regolatore impostato per il litio; quasi tutte non vanno caricate sotto 0 °C. Due giorni da 100 Wh presi da una batteria al piombo da 12 V usata a metà richiedono almeno 33 Ah: scegliete 40 Ah.

Pannello, regolatore e batteria, con il fusibile sul cavo positivo accanto alla batteria.

Montare un regolatore di carica. Non collegate mai un pannello direttamente a una batteria. Il regolatore dosa la carica perché la batteria non sia mai sovraccaricata, poi la mantiene piena, e gli apparecchi collegati alla sua uscita carichi vengono staccati prima che si scarichi. Un semplice regolatore PWM deve reggere almeno 1,25 volte la corrente di cortocircuito del pannello. Per un modello MPPT, confrontate i suoi limiti di tensione, corrente e potenza con la scheda tecnica del pannello, ricordando che la tensione a vuoto sale con il freddo.

Fusibile e cavi. Mettete sul cavo positivo, attaccato alla batteria, un fusibile adatto alla corrente continua. La sua taratura deve essere inferiore alla portata del cavo e superiore alla corrente normale più alta, e deve saper interrompere la corrente altissima che una batteria eroga in cortocircuito. A 10 A, un pannello a 5 m (10 m di rame) perde circa 0,3 V in un cavo da esterni da 6 mm²; un filo più sottile perde di più.

Installare e pulire. Orientate il pannello verso l’equatore, senza ombre nelle ore centrali, inclinato all’incirca quanto la latitudine per un uso tutto l’anno. Sciacquate la polvere con acqua e una spazzola morbida. Un inverter può trasformare i 12 V in tensione di rete, pericolosa quanto la rete stessa.

Misurare una cella. Al sole, leggete la tensione di una piccola cella sulla posizione volt in continua di un multimetro. Passate poi agli ampere in continua, spostate il cavo rosso nella boccola da 10 A e toccate i morsetti della cella: leggete così la sua corrente di cortocircuito. Controllate prima che la corrente indicata sulla cella sia molto inferiore al limite di 10 A del multimetro, e tenete i puntali solo pochi secondi. All’ombra la tensione si muove appena e la corrente cala. Rimettete poi il cavo rosso nella boccola dei volt e non misurate mai così la corrente di una batteria.

Sicurezza. Un pannello dà tensione appena la luce lo raggiunge: copritelo durante il cablaggio. La corrente continua può mantenere un arco se si stacca un connettore sotto carico; per intervenire sull’impianto, coprite il pannello, scollegate prima il pannello e per ultima la batteria, e ricollegate in ordine inverso. Un cortocircuito sui morsetti di una batteria fonde gli attrezzi e provoca incendi, e il fusibile non ferma una chiave appoggiata su entrambi i morsetti: attrezzi isolati e coprimorsetti. In carica le batterie al piombo liberano idrogeno: aerate, niente scintille, occhiali protettivi. Sul tetto, imbracatura e punto di ancoraggio, oppure rivolgetevi a professionisti. Tutto ciò che è collegato alla rete, inverter compresi, spetta a un elettricista qualificato.

Storia ed evoluzione

Nel 1839 Edmond Becquerel, a 19 anni, illuminò elettrodi rivestiti di cloruro d’argento immersi in un acido e misurò una debole corrente. Nel 1873 l’ingegnere inglese Willoughby Smith, mentre provava cavi telegrafici sottomarini, notò che il selenio conduce meglio alla luce; nel 1883 l’americano Charles Fritts costruì celle di selenio sotto una foglia d’oro così sottile da lasciar passare la luce. Nel 1905 Albert Einstein spiegò che la luce arriva in pacchetti la cui energia dipende dal suo colore.

Nel 1940 Russell Ohl, ai Bell Labs, osservò che un campione di silicio con fosforo da un lato e boro dall’altro dava corrente alla luce: la prima giunzione p-n, con un’efficienza di circa l’1%. Nel 1953 il suo collega Daryl Chapin cercava di alimentare apparecchiature telefoniche isolate e con il selenio otteneva solo lo 0,5%. Il silicio drogato di Calvin Fuller e Gerald Pearson andava molto meglio, e la cella presentata il 25 aprile 1954 fece girare una ruota panoramica giocattolo.

Vanguard 1, 1958: sei piccoli pannelli di celle solari su una sfera di circa 16 cm di diametro.

Le prime celle al silicio costavano troppo per l’uso comune, e il loro primo cliente fisso fu lo spazio. Il Vanguard 1, lanciato nel marzo 1958, portava sei piccoli pannelli da 18 celle ciascuno: il trasmettitore a batteria tacque nel giugno 1958, quello solare trasmise fino al maggio 1964. Con la crescita delle fabbriche, il prezzo dei moduli scese da circa 132 dollari al watt nel 1975 a 0,27 dollari nel 2024 (in dollari del 2025). Oggi la maggior parte delle celle parte da fette drogate con fosforo, con il boro sulla faccia anteriore. Nel 2025 i pannelli solari hanno prodotto l’8,7% dell’elettricità mondiale, secondo Ember (aprile 2026).