L'effetto FV è noto fin dal XIX secolo quando si scoprì che era possibile trasformare direttamente l'energia solare in energia elettrica tramite una cella elettrolitica senza passare per processi termodinamici. La prima applicazione pratica si ebbe nel 1954 negli Stati Uniti, quando i laboratori Bell realizzarono la prima cella fotovoltaica utilizzando silicio monocristallino.
In sintesi l'energia si ottiene quando i fotoni della radiazione solare, colpendo una cella, "strappano" gli elettroni più esterni (di valenza) degli atomi del semiconduttore ( in genere silicio), gli elettroni sono raccolti dal reticolo metallico serigrafato sulla superficie visibile della cella che "incanalano" il flusso di elettroni ottenendo una corrente continua di energia elettrica.
Il componente base dei sistemi fotovoltaici è la cella FV, un dispositivo costituito da una sottile fetta ( 0,3 mm ) di materiale semiconduttore (wafer), in genere silicio, opportunamente trattata. Ha una dimensione di circa 12 cm di lato ed è in grado di produrre circa 1,5 Watt di potenza in condizioni standard cioè quando si trova ad una temperatura di 25 °C ed è sottoposta ad una potenza della radiazione pari a 1.000 W/m², queste condizioni si hanno, per esempio, in centro Italia in una giornata limpida in aprile-maggio nelle ore centrali.
Le celle fotovoltaiche sono assemblate in un modulo FV che normalmente ne contiene 18 o 36 , i moduli a loro volta costituiscono i pannelli fotovoltaici. Per avere una potenza di picco ( potenza massima in condizioni standard) di 1.000 W ( 1 kWp) servono mediamente 10 m² di moduli fotovoltaici (per celle FV con un'efficienza del 10%).
In commercio attualmente sono presenti tre varietà di celle al silicio con efficienze che vanno dal 5% al 15% circa:
Celle al silicio monocristallino, costano di più e richiedono una maggiore quantità di energia per produrle ma hanno un'efficienza che può arrivare al 15%.
Celle al silicio multicristallino (o policristallo) con un'efficienza fino al 12 %.
Pannelli al silicio amorfo, costano meno e richiedono meno energia per la produzione ma hanno efficienze minori (dal 5% al 9%).
Con le nuove norme, che hanno preso spunto dal sistema tedesco, si premia la produttività dei sistemi (conto energia) e quindi l'utilizzatore finale sarà indotto a fare una scelta mirata alla migliore resa del sistema in rapporto al prezzo, dovendo comunque affrontare la spesa iniziale per l' intero costo. Come già detto il sistema in conto energia ha permesso, in Germania, l'installazione di numerosissimi sistemi FV ad alta efficienza e ad un costo mediamente inferire del 50% rispetto ai sistemi installati in Italia, incentivati in conto capitale.
I SISTEMI FOTOVOLTAICI POSSONO ESSERE DI 3 TIPI:
1) ALIMENTAZIONE DIRETTA: Con questo tipo di soluzione l’apparecchio che vogliamo alimentare viene collegato in maniera diretta al modulo FV. Però è una soluzione che crea degli svantaggi, in quanto l’apparecchio collegato non potrà funzionare in assenza di sole. Ad ogni modo questo tipo di sistema può trovare applicazione esclusivamente per piccole utenze (ad es. radio, calcolatrici, etc.)2) FUNZIONAMENTO AD ISOLA: Il modulo FV può alimentare uno o più apparecchiature elettriche. In questo specifico caso l’energia che viene fornita dal modulo e che non viene utilizzata, viene adoperata per caricare degli accumulatori. L’energia presente negli accumulatori servirà per soddisfare una maggior esigenza di energia o ad es. di notte quando l’impianto FV non funziona. Questo tipo di sistema può trovare applicazione nelle zone che non sono raggiunte dal servizio di distribuzione elettrico come ad es. i rifugi in montagna o abitazioni isolate come possono essere ad es. delle abitazioni in aperta campagna.
3) FUNZIONAMENTO PER IMMISSIONE IN RETE: anche in questo caso il modulo FV alimenta le apparecchiature collegate. Il procedimento è molto semplice, l’energia che non viene utilizzata viene immessa nella rete pubblica, in maniera tale che gli altri utenti collegati alla rete elettrica ne possano usufruire. Durante le ore notturne l’energia elettrica potrà essere nuovamente prelevata dalla rete pubblica. Ovviamente il gestore di un impianto come quello descritto verrà pagato dall’impresa erogatrice per l’energia che è stata immessa in rete. Le applicazioni sono le più molteplici purchè si disponga di un allacciamento standard alla rete pubblica(abitazioni, officine art., uffici, banche, edifici pubblici). In questo tipo di impianto l’energia viene convertita direttamente in corrente elettrica alternata e può essere utilizzata per alimentare le normali utenze o in alternativa può essere immessa nella rete. Si precisa che tra il gestore dell’impianto e il gestore della rete pubblica ci sarà un regime di interscambio, cioè : presso il gestore dell’impianto sono installati due contatori, uno servirà per contabilizzare l’energia fornita dall’impianto FV alla rete, e l’altro che contabilizzerà l’energia elettrica che verrà prelevata dalla rete. Nell’ipotesi in cui le due tariffe coincidano, l’utente paga all’ente erogatore dell’energia elettrica solo la differenza tra l’energia consumata e quella fornita dalla rete.