Cos'è il fotovoltaico?

Lo schema sopra illustra il funzionamento di una cella fotovoltaica di base, detta anche cella solare. Le celle solari sono realizzate con gli stessi tipi di materiali semiconduttori, come il silicio, utilizzati nell'industria microelettronica. Per le celle solari, un sottile wafer semiconduttore viene trattato in modo speciale per formare un campo elettrico, positivo da un lato e negativo dall'altro. Quando l'energia luminosa colpisce la cella solare, gli elettroni vengono staccati dagli atomi nel materiale semiconduttore. Se i conduttori elettrici sono attaccati ai lati positivo e negativo, formando un circuito elettrico, gli elettroni possono essere catturati sotto forma di corrente elettrica, cioè elettricità. Questa elettricità può quindi essere utilizzata per alimentare un carico, come una luce o uno strumento.

Un numero di celle solari collegate elettricamente tra loro e montate in una struttura di supporto o telaio è chiamato modulo fotovoltaico. I moduli sono progettati per fornire elettricità a una certa tensione, come un comune sistema a 12 volt. La corrente prodotta dipende direttamente dalla quantità di luce che colpisce il modulo.

I dispositivi fotovoltaici più comuni di oggi utilizzano una singola giunzione, o interfaccia, per creare un campo elettrico all'interno di un semiconduttore come una cella fotovoltaica. In una cella fotovoltaica a giunzione singola, solo i fotoni la cui energia è uguale o superiore al band gap del materiale della cella possono liberare un elettrone per un circuito elettrico. In altre parole, la risposta fotovoltaica delle celle a giunzione singola è limitata alla porzione dello spettro solare la cui energia è al di sopra del band gap del materiale assorbente, e non vengono utilizzati fotoni di energia inferiore.

Un modo per aggirare questa limitazione è utilizzare due (o più) celle diverse, con più di un band gap e più di una giunzione, per generare una tensione. Queste sono denominate celle "multigiunzione" (chiamate anche celle "a cascata" o "tandem"). I dispositivi multigiunzione possono ottenere un'efficienza di conversione totale più elevata perché possono convertire una parte maggiore dello spettro energetico della luce in elettricità.

Come mostrato di seguito, un dispositivo multigiunzione è una pila di singole celle a giunzione singola in ordine decrescente di banda proibita (Eg). La cella superiore cattura i fotoni ad alta energia e trasmette il resto dei fotoni per essere assorbiti dalle celle a banda proibita inferiore.