Tipologie di celle fotovoltaiche
La maggior parte delle celle fotovoltaiche oggi in commercio è costituita da semiconduttori in silicio.
La ragione di questa scelta è principalmente dovuta a:
- il silicio è disponibile in grandi quantità sul nostro pianeta;
- il silicio è largamente utilizzato dall'industria elettronica, che, con la rapidissima espansione degli ultimi decenni, ha agevolato lo sviluppo segli attuali metodi di raffinazione, lavorazione e drogaggio;
- gli scarti della lavorazione dei componenti elettronici possono essere riciclati dall'industria fotovoltaica, che tollera maggiori concentrazioni di impurità.

Silicio monocristallino e policristallino
Secondo le tecniche più tradizionali, il silicio monoscristallino è ottenuto da un processo detto di "melting" a partire da cristalli di silicio di elevata purezza che, una volta fusi, vengono fatti solidificare a contatto con un seme di cristallo: durante il raffreddamento, il silicio gradulamente di solidifica nella forma di un lingotto cilindrico di monocristallo del diametro di 13 ÷ 20 cm, con una lunghezza che può raggiungere i 200 cm.
Successivamente, il lingotto viene tagliato con speciali seghe a filo in fettine dette "wafers" con spessore intorno ai 250 µm: il ridotto spessore del wafer ottenuto consente un buon sfruttamento del lingotto che si paga però con un'estrema fragilità.

In alternativa al silicio monocristallino, l'industria fotovoltaica utilizza anche il silicio policristallino che ha costi di produzione inferiori e nel quale i cristalli si presentano ancora aggregati tra loro ma con forme e orientamenti differenti. L'affinamento del processo produttivo delle celle di silicio policristallino consente oramai di realizzare celle con prestazioni elettriche solo di poco inferiori a quelle ottenibili con il monocristallino.

La connessione elettrica fra le celle fotovoltaiche è ottenuta per mezzo di due contatti metallici, uno sulla faccia esposta e l'altro su quella opposta, normalmente ottenuti per evaporazione sotto vuoto di metalli a bassissima resistenza elettrica ed effettuando successivi trattamenti termici al fine di assicurarne la necessaria aderenza alla superficie della cella.
Mentre la metallizzazione posteriore copre tutta la faccia, quella frontale esposta alla luce deve avere una configurazione geometrica tale da consentire un buon compromesso fra trasparenza alla radiazione incidente e massima "raccolta" degli elettroni liberi nel processo di conversione. Mutuando quanto in natura si presente nelle foglie, per la parte frontale sono previsti due collettori longitudinali a cui fanno capo un certo numero di rebbi trasversali.

Il passo successivo alla lavorazione di una cella è costituito dalla deposizione di uno strato antiriflettente di uno spessore non superiore a 1 µm, per il quale si usa solitamente ossido di titanio evaporato sotto vuoto.

Film sottile
Una promettente tecnologia oramai ben sperimentata nei laboratori è rappresentata dai film sottili.
A differenza della tecnologia cristallina nella quale il materiale semiconduttore si presenta solido in forma di wafer con spessore di qualche centinaio di micron, in questo caso la materia attiva può essere ottenuta in forma di gas con il vantaggio di poter essere depositata in strati spessi pochi micron su una grande varietà di superfici di appoggio.
Tuttavia, poichè la lavorazione di moduli a film sottile richiede l'impiego di materiali con caratteristiche particolari (silicio amorfo con struttura simile a quella di un liquido sottoraffreddato, telloruro di cadmio, diselenuro di indio e rame) rimangono ancora aperti diversi aspetti tecnici, specialmente per ciò che riguarda la stabilità delle prestazioni elettriche nel corso della vita utile.

Moduli fotovoltaici
Celle solari di qualunque tipo, connesse in serie/parallelo e incapsulate tra un foglio di plastica e una lastra di vetro temperato costituiscono la maggioranza dei moduli commerciali. Si tratta di sandwich di materiali molto robusti di forma rettangolare, spessore compreso tra 2 e 3 cm e peso variabile tra 6 e 21 kg. I moduli possono essere lasciati senza cornice (frameless) o contornati da un profilo di alluminio allo scopo di facilitarne il montaggio sulle strutture metalliche che dovranno accoglierli durante l'esercizio. Le polarità positiva e negativa del modulo sono riportate all'esterno del sandwich per essere accessibili come collegamento elettrico: in genere, sono disponibili su una morsettiera contenuta in una cassettina in materiale plastico fissata sul retro del modulo e provvista di passacavi, detta cassetta di terminazione.

Per i moduli fotovoltaici in silicio amorfo si ha una maggiore scelta in termini di involucro e dimensioni. Le celle, in questo caso, non presentando i problemi di fragilità tipici del silicio cristallino, possono essere alloggiate su supporti sia rigidi che flessibili.

Confronto tecnico-economico
Fra i tipi di silicio utilizzati per la conversione dell'energia solare in elettrica, il più diffuso è quello cristallino che rappresenta circa l'80% del venduta la mondo, suddiviso in monocristallino, circa il 45%, e policristallino, circa il 35%. Allo stato attuale le aziende produttrici di celle fotovoltaiche in silicio cristallino (mono e poli) utilizzano ancora gli scarti dell'industria elettronica ma, come si vede nel grafico a lato, la disponibilità a costi contenuti comincia ad essere scarsa.

Lo stato di maturità della tecnologia cristallina raggiunta in 30 anni di ricerca e sperimentazione può essere riassunto come segue:
- crescita dell'efficienza dei moduli fotovoltaici commerciali di quasi il 100% (dal 9% al 17%);
- costo del Wp ridotto del 60% (indicativamente 24000 Lit/Wp nel 1980, 8000 Lit/Wp nel 2000);
- totale potenza installata circa 1000 MWp a fine 2000.
Attualmente, il rendimento di un modulo fotovoltaico disponibile commercialmente (e di buona qualità) in silicio cristallino è tra il 12% ed il 14%.
I moduli in silicio cristallino risultano quindi:
- tecnologicamente ben sperimentati;
- con degrado delle prestazioni elettriche molto contenuto nei 20 anni di vita utile (tanto è vero che molti costruttori garantiscono l'80% della performance in 25 anni);
- di efficienza record rispetto a qualsiasi altro materiale.
Però, i moduli cristallini, essendo formati da più celle fotovoltaiche ottenute tagliando a fettine (wafer) un cilindro di materiale attivo ed accoppiandole elettricamente, rivelano nel contempo alcuni punti deboli:
- la visione di insieme dell'oggetto è pur sempre quella di un componente assemblato;
- l'aspetto estetico non soddisfa pienamente tutti i progettisti, principalmente a causa delle limitate potenzialità architettoniche;
- i margini di riduzione del costo di produzione sono infine piuttosto contenuti.

A differenza della tecnologia cristallina, le celle fotovoltaiche a film sottile sono composte da strati di materiale semiconduttore (non sempre è presente il silicio) depositati generalmente come miscela di gas su supporti a basso costo come vetro, polimero, alluminio che danno consistenza fisica alla miscela.
L'utilizzo di un gas consente l'immediato beneficio di un utilizzo minore di materiale attivo: lo spessore si riduce da 250 micron delle celle cristalline a 4-5 micron di quelle a film sottile.
Inoltre, il processo produttivo dei film sottile consente una riduzione di alcune fasi della lavorazione che, a differenza del cristallino, possono essere automatizzate.

Il silicio amorfo è stato il primo materiale utilizzato per la produzione di film sottili. Purtroppo la natura stessa del silicio amorfo, che non presenta una struttura molecolare definita (a cristalli), limita notevolmente le prestazioni del prodotto in termini di efficienza di conversione, la quale rimane ben al di sotto di quella del cristallino (5-8% delle migliori celle amorfe multigiunzione).
Inoltre, rimangono da risolvere una serie di problemi legati alla stabilità delle prestazioni nel tempo. L'amorfo perde quasi il 10% delle prestazioni di potenza dichiarate dal costruttore nelle prime 300-400 ore di esposizione.
Per contro, l'aspetto estetico decisamente attraente con la possibilità di realizzare moduli flessibili fanno del silicio amorfo un prodotto molto apprezzato per uso prevalentemente architettonico.