Studio sulla fattibilità tecnica ed economica del fotovoltaico in Piemonte

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Introduzione 
 
All’alba del XXI secolo, la questione energetica presenta ancora un problema non risolto di 
importanza rilevante per le sorti della nostra specie e del pianeta. I consumi di energia 
elettrica sono destinati ad accrescersi senza rallentamenti nei prossimi anni, ed il consumo 
smodato delle risorse attuali usate per generarla (carbone, gas, petrolio) sta portando ad un 
rapido esaurimento delle stesse, ma, cosa peggiore, l’inquinamento atmosferico ha raggiunto 
livelli preoccupanti (colpevoli i gas serra sprigionati dalla combustione di queste risorse) 
generando cambiamenti climatici ed il progressivo inaridimento del suolo. Creare energia 
senza inquinare e sfruttando risorse rinnovabili è la soluzione per evitare questa 
autodistruzione a cui stiamo andando incontro. Una di queste risorse è il sole la cui luce 
opportunamente catturata da pannelli fotovoltaici può essere convertita direttamente in 
energia elettrica senza provocare danni all’ambiente. L’edilizia ha una forte rilevanza nel 
fabbisogno energetico globale del pianeta, comporta infatti il 40% dei consumi energetici dei 
paesi sviluppati, però, essa, oggi, può riscattarsi offrendo essa stessa le superfici per 
l’installazione degli impianti fotovoltaici. 
Se questa tecnologia si diffonde, ancora oggi, con una certa lentezza è perché i costi dei 
relativi impianti sono ancora troppo ingenti, in Italia, come è riportato dalla letteratura, è 
possibile recuperare l’investimento in un certo numero di anni, variabile a seconda della 
fascia del territorio italiano in cui ci si trova: 
null Nord: 11null13 anni 
null Centro: 9null11 anni 
null Sud: 7null9 anni 
Nella tesi, dopo una descrizione della tecnologia nei materiali, nel funzionamento, nel 
dimensionamento, verrà affrontata l’analisi finanziaria dell’impianto fotovoltaico  allo scopo 
di valutare la sua fattibilità finanziaria in ognuno dei capoluoghi di Provincia del Piemonte. 
Lo strumento usato è il simulatore Enel.si dell’Enel, preventivamente messo a confronto con 
il software RETScreen, programma creato dal Ministero delle Risorse Naturali del Canada per 
analizzare i progetti riguardanti l’energia pulita ed utilizzabile in tutto il mondo. Avendo la 
consapevolezza che la performance economica di un sistema fotovoltaico è determinata, a 
parità di costi e potenza installata, dall’energia solare che arriva alla superficie terrestre, e non 
essendo possibile effettuare l’analisi finanziaria per ogni Comune del Piemonte, la tesi 
proverà a mostrare come l’irraggiamento non sia uniforme sul territorio piemontese e come 
esso, quindi, al suo interno presenti delle aree diverse per rendimento energetico annuo 
dell’impianto, con conseguente variabilità dei ritorni economici. Per svolgere questa analisi, 
prettamente legata alle peculiarità geografiche e morfologiche, si useranno le applicazioni 
web del PVGIS, strumento di ricerca per la stima della performance della tecnologia 
fotovoltaica nell’Unione Europea, sviluppato dal Joint Research Centre della Commissione 
Europea.
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1 La generazione elettrica fotovoltaica 
 
1.1 I progenitori della cella fotovoltaica 
 
Il fisico francese Alexandre Edmund Becquerel (1820null1891) è il primo ad osservare il 
fenomeno della conversione della luce in elettricità; nell’ambito di suoi esperimenti egli aveva 
notato che la corrente tra due elettrodi di platino immersi in una soluzione conduttrice  di 
nitrato di piombo, contenuta in una bottiglia di vetro, aumentava se si esponeva la pila così 
composta alla luce del Sole. 
La vera progenitrice della cella fotovoltaica arriva nel 1883 grazie a Charles Fritts, 
l’efficienza di conversione ottenuta era di appena 1%. 
Questa scoperta per alcuni decenni non riusciva a suscitare ancora alcun desiderio di 
applicazione, e soltanto dopo il 1940 si capiva che questa scoperta poteva aveva forti 
potenzialità. 
Quindi arrivano gli studi sul silicio cristallino e  nel 1954 vengono concepite le prime celle 
fotovoltaiche al silicio monocristallino commerciali. 
La tecnologia era sufficientemente avanzata e anche molto costosa e l’unica applicazione era 
quella nel settore aerospaziale in cui l’elevato costo dei sistemi era bilanciato da pesi e 
ingombri ridotti. Con gli anni Settanta e la crisi energetica mondiale si comincia a vedere il 
fotovoltaico  come un sistema ben applicabile anche nell’ambito civile. I costi di produzione 
continuano a essere alti, ma si sta registrando un graduale  allargamento delle industrie del 
settore e un costante incremento delle vendite  
 
 
fig. 1.1  Pietra grezza di silicio. 
 
1.2 L’ effetto fotovoltaico 
 
L’effetto fotovoltaico consiste nella conversione dell’energia solare in elettricità, questo 
processo si verifica soltanto negli elementi semiconduttori. La cella fotovoltaica è dunque una 
porzione piana di materiale semiconduttore, di spessore molto ridotto, cui sono applicati dei 
contatti elettrici. 
Il materiale semiconduttore più utilizzato è il silicio cristallino. 
È necessario scendere a livello microscopico per capire come sono composti naturalmente gli 
atomi di silicio e capire cosa avviene quando questi, facendo parte di una cella fotovoltaica, 
vengono colpiti dalla radiazione solare. Ogni atomo di silicio contiene 14 elettroni, 4 di questi 
sono  legati in coppia con gli elettroni analoghi degli altri atomi tramite un legame covalente , 
essi sono detti  elettroni di valenza.
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fig. 1.2  I legami tra gi atomi di silicio. 
 
 Il forte legame elettrostatico che si crea può essere spezzato con una precisa quantità di 
energia che fa passare l’elettrone dalla banda di valenza alla banda di conduzione, ciò 
vorrebbe dire che l’elettrone sarebbe libero di muoversi nel semiconduttore e di generare 
insieme ad altri elettroni un flusso elettrico se contemporaneamente si verificasse  nell’ 
elemento una differenza di potenziale ossia un campo elettrico. La differenza di potenziale  è 
quindi indispensabile per il verificarsi del flusso elettrico e viene ottenuta tramite il 
“drogaggio” della porzione di silicio che consiste nell’ introdurre degli atomi di altri elementi 
chimici secondo un rapporto di 1:1000000 con gli atomi di silicio. In particolare nella parte 
alta della barretta vengono introdotti atomi  di fosforo, che ha 5 elettroni di valenza, e qui si 
costituisce una carica negativa debolmente legata (strato silicio tipo n) e nella parte inferiore  
atomi di boro che ha solo 3 elettroni di valenza, qui invece si costituisce una carica positiva in 
eccesso ( strato silicio tipo p). 
 
fig. 1.3  Atomi di fosforo e boro all’interno del silicio.
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La zona di separazione tra i due “strati” è detta giunzione pnulln. 
Nel silicio così modificato si attiva un flusso elettronico dalla zona n alla zona p che, 
raggiunto  l’equilibrio, comporta un eccesso di carica positiva nella zona n, dovuto agli atomi 
di fosforo con un elettrone in meno, ed un eccesso di carica negativa nella zona p, dove gli 
atomi di boro hanno un elettrone in più; in altre parole gli elettroni nel silicio tipo n 
diffondono per un breve tratto nel silicio tipo p. Il campo elettrico interno che si crea ha un’ 
ampiezza di pochi micrometri. 
 
  
 
fig. 1.4  Campo elettrico nel silicio “drogato” e flusso di elettroni  in seguito all’incidenza dei 
fotoni. 
 
Illuminando la giunzione pnulln dal lato del silicio tipo n, gli elettroni, ora liberi  di muoversi, si 
spostano verso la zona n e contemporaneamente generano un movimento di lacune nella 
direzione opposta. Una volta attraversato il campo, gli elettroni non possono tornare più 
indietro, perché il campo agisce come un diodo. Collegando la giunzione pnulln ad un conduttore 
si ottiene un flusso di elettroni che parte dallo strato n e torna  allo strato p; è importante che 
lo spessore dello strato di silicio tipo n sia tale da garantire il massimo assorbimento di fotoni 
incidenti  in vicinanza della giunzione ( per il silicio questo valore non deve essere maggiore 
di 0,5 mm). 
Fino a quando la cella resta esposta alla luce, l’elettricità fluisce sotto forma di corrente 
continua. 
 
fig. 1.5  Flusso elettrico verso il carico
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I fotoni che compongono la radiazione solare  non si equivalgono tra loro in termini di 
contenuto energetico (e quindi di capacità di conversione fotovoltaica), in quanto questo 
dipende dalla frequenza e dalla lunghezza d’onda  della radiazione cui appartengono. 
Tra energia e lunghezza d’onda vi è una proporzionalità inversa: 
                            
                                   E 
f
 (l)  =  h x c                                                                                      (1) 
                                                     l                                               
dove: 
    E 
f
 (l)  è l’energia posseduta dal fotone appartenente alla radiazione di lunghezza d’onda l 
in J 
  h è la costante di Planck pari a 6,626 x 10 
null34
 Js 
    c è la velocità della luce nel vuoto pari a 300.000 km/s 
    l è la lunghezza d’onda della radiazione in mm 
 
Per ogni materiale semiconduttore è riscontrabile un preciso quantitativo di energia 
indispensabile  affinché vengano spezzati i legami covalenti tra gli atomi e quindi  si inneschi 
il processo fotovoltaico, è un valore di soglia detto EG, energy gap. I fotoni che non  
soddisfano il valore di EG non partecipano al processo ed i fotoni che invece possiedono 
troppa energia vengono utilizzati solo parzialmente, vale a dire che la parte di energia in più 
viene convertita in calore e quindi persa. 
 
fig. 1.6  Spettro delle radiazioni elettromagnetiche. 
 
Le coppie elettronenulllacuna che si generano  quando i fotoni incidono il semiconduttore, se non 
ricadono nel campo elettrico, vagano casualmente nel materiale, fino  a ricomporsi con altre 
cariche di segno opposto ( fenomeno della ricombinazione), se invece ricadono nel campo 
elettrico vengono spinte in direzioni opposte dando origine ad un flusso unidirezionale. 
Per valutare le prestazioni di una cella il principale parametro utilizzato è l’efficienza di 
conversione, ossia il rapporto tra energia elettrica generata e energia elettromagnetica 
incidente, tutto misurato in determinate condizioni operative. 
 
 
 
 
 
Per quanto riguarda il 
silicio cristallino, la 
parte di radiazione 
solare caratterizzata da 
una lunghezza d’onda 
superiore a 1,1 mm e 
quindi collocata 
nell’infrarosso ha 
energia insufficiente e 
quindi non viene 
utilizzata, mentre le 
radiazioni con 
lunghezza d’onda 
inferiore a 0,4 mm, 
quindi collocate 
nell’ultravioletto hanno 
troppa energia.
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1.3 I materiali e le tecnologie
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1.3.1 Il silicio cristallino 
 
È il materiale più utilizzato attualmente nella realizzazione delle celle fotovoltaiche. È molto 
diffuso sulla Terra  però, per essere sfruttato in questi termini, ha bisogno di una adeguata 
struttura molecolare (monocristallina, policristallina, o amorfa) e di una elevata purezza  che 
in natura l’elemento non possiede. 
A seconda del grado di  purezza  si distinguono diversi tipo di silicio: 
nullmetallurgico, con impurità pari a 1null2% della massa totale 
nulldi grado solare, con impurità pari a 0,01% 
nulldi grado elettronico, con impurità pari a 0,000001% 
I processi utili ad ottenere un silicio monocristallino (il più efficiente) e ad elevatissima 
purezza (di grado elettronico) sono due: il processo Czochralsky ed il processo floating zone. 
Il primo metodo (anche il più diffuso) consiste nell’estrarre una bacchetta iniziale di silicio 
cristallino da un crogiolo nel quale viene fuso il silicio a 1414 °C, la bacchetta viene fatta 
ruotare con velocità di pochi giri/min fino a 60 giri/min, mentre la velocità di estrazione è 0,5null
1,2 mm/min. il risultato è un cilindro di silicio monocristallino di diametro dipendente dalla 
velocità di estrazione: più è bassa maggiore sarà il diametro. Il secondo metodo consiste nel 
passare attorno al lingotto di silicio una bobina che emette radiofrequenze (2MHz) tali da 
fondere localmente il lingotto, che alla seguente solidificazione assume struttura 
monocristallina. 
Questi processi, però, richiedono attualmente costi eccessivi per l’utilizzo del silicio nel 
campo della tecnologia fotovoltaica, per questi motivi  vengono utilizzati i residui delle 
industrie elettroniche. 
Va tuttavia detto che questa risorsa residua al giorno d’oggi non riesce  a soddisfare a pieno la 
richiesta di silicio dell’industria fotovoltaica, e che questa, fortunatamente, può utilizzare un 
silicio con grado di purezza inferiore (di grado solare) rispetto a quanto è richiesto 
nell’industria elettronica; il tentativo di produrre un silicio dal grado di purezza e dal costo più 
adeguati ha portato alla tecnologia del silicio policristallino. 
Un metodo piuttosto diffuso ed efficace è il processo casting, che consiste nella fusione del 
silicio che raffreddandosi in maniera controllata, si ricristallizza creando una struttura 
cristallina fatta di grani di dimensione ridotta (1 ÷ 100 mm), il risultato è un lingotto di grandi 
dimensioni (40 cm di lato), un tale silicio offre buone prestazioni nella efficienza di 
conversione della radiazione solare, che differisce solo di un punto percentuale dal 
monocristallino). 
I prodotti provenienti da ognuno di questi processi vengono poi trattati per ottenerne fette 
sottilissime dette wafer che hanno uno spessore compreso tra i 250 e i 350 mm (0,25null0,35 
mm); questi trattamenti causano un enorme dispendio di energia e una grande perdita di 
materiale (50% della massa originale) e quindi grosse ripercussioni sui costi finali. Per 
ovviare a quest’ inconveniente l’industria fotovoltaica ha messo a  punto nuovi modi per 
ottenere i  fogli di silicio.  
Uno dei più noti è il metodo EFG (edge-defined film growth), qui il silicio fuso viene fatto 
risalire per capillarità attraverso una fessura realizzata nella sommità di un crogiolo, viene 
ottenuto così, un nastro in silicio policristallino lungo alcuni metri e spesso 300 mm; un altro 
metodo è il metodo dello sviluppo epitassiale col quale viene ottenuto uno strato di silicio 
policristallino spesso dai 25 ai 250 mm.  
                                                 
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 Aste, Niccolò, Il fotovoltaico in architettura, 2° ed., Napoli, Gruppo Editoriale Esselibri Simone, 2005; 
  Bartolazzi, Andrea, Le energie rinnovabili, Milano, Ulrico Hoepli Editore, 2006.