Oggi sono ovunque, dai tetti delle nostre case ai grandi impianti, dalla Stazione Spaziale ai nostri smartwatch. Ma torniamo indietro di quasi 200 anni e ripercorriamo la storia del fotovoltaico: una tecnologia fondamentale per la sostenibilità

Anno 1839; in un piccolo laboratorio parigino, Edmond Becquerel – un ragazzo di 19 anni – sta trafficando nel laboratorio di suo padre Antoine, curatore del Museo Nazionale di Storia Naturale.  Edmond si china su un apparato rudimentale, composto da due elettrodi immersi in una soluzione conduttiva. In quel momento si diradano le nuvole e la luce del Sole entra dalla finestra colpendo proprio il dispositivo. Becquerel osserva un fenomeno insolito: si genera spontaneamente una corrente elettrica. Quel raggio di Sole, combinato con lo spirito di osservazione di un giovanissimo scienziato, scatena una rivoluzione che, oltre un secolo dopo, porterà alla creazione dei pannelli fotovoltaici, capaci di convertire la luce solare in energia elettrica. Il giovane Becquerel non immagina certo che il suo esperimento, all’epoca considerato una curiosità scientifica, sarebbe diventato la base di una delle tecnologie energetiche più promettenti del XXI secolo.

L’Italia all’alba dell’effetto fotoelettrico

Nel 1859 troviamo Antonio Pacinotti: è famoso per aver inventato la dinamo a soli 24 anni. Questa non solo è in grado di convertire energia meccanica in elettricità, ma, se fatta funzionare al contrario, converte l’elettricità in lavoro meccanico. Ecco che, in un botto solo, lo scienziato pisano getta le basi per la comprensione dei meccanismi sia della produzione che dell’uso dell’energia elettrica, dalle pale eoliche ai reattori nucleari, dai ventilatori alle auto elettriche. Ma non finisce qui: nel 1863 dobbiamo a Pacinotti l’osservazione che la corrente elettrica che si forma fra due lastre dello stesso metallo, una tenuta al buio e una esposta a luce di diversa lunghezza d’onda, è maggiore con la radiazione blu e minore con la radiazione rossa.

Il suo allievo, il bolognese Augusto Righi, continua il percorso tracciato dal maestro e arriva a coniare il termine “effetto fotoelettrico.”

Righi intuisce che la luce non è solo una forma di energia ma può anche liberare elettroni da un materiale, un’idea che rivoluzionerà la fisica moderna. Righi fa di più: sviluppa un oscillatore che genera onde elettromagnetiche a frequenze altissime, aprendo la strada alle future tecnologie radio.

I primi prototipi, grazie al selenio

La tappa successiva del nostro viaggio è il 1876, quando William Grylls Adams e Richard Evans Day dimostrano che il selenio genera elettricità quando esposto alla luce. È un passo avanti significativo, anche se la quantità di energia prodotta è modesta. Tuttavia, la scoperta conferma che la luce può essere convertita in elettricità, un concetto che diventerà centrale nel futuro sviluppo dell’energia solare.

Dalle teorie alle prime applicazioni 

In Germania, anche Werner von Siemens, noto imprenditore e scienziato, si interessa all’energia solare. Nel 1881, pubblica un articolo in cui descrive il potenziale dell’effetto fotovoltaico per generare energia elettrica. Anche se il suo lavoro rimane principalmente teorico, Siemens vede chiaramente il futuro: la conversione diretta della luce solare in elettricità potrebbe rivoluzionare il mondo dell’energia. È uno di quei momenti in cui si può quasi sentire l’aria satura di … elettricità!

Nel 1883, l’inventore statunitense Charles Fritts costruisce la prima cella fotovoltaica. Utilizza uno strato sottile di selenio, rivestito da una lamina d’oro, per creare una cella che converte circa l’1% della luce solare in elettricità.  Oggi questa efficienza fa sorridere, ma all’epoca è un vero colpo di genio. Fritts immagina un futuro in cui i tetti delle case saranno coperti di pannelli solari, una visione che anticipa di oltre un secolo l’adozione diffusa dell’energia solare. Peccato che all’epoca il selenio fosse costoso e poco efficiente, rendendo i pannelli fotovoltaici più un sogno che una realtà commerciale. Fritts non molla e chiede aiuto a Siemens, che conferma la validità dell’esperimento ma non riesce a spiegarne teoricamente l’effetto, né a dare un impulso commerciale al prototipo di Fritts. Beh, il progresso non è solo una catena di successi, giusto?

Einstein e l’effetto fotoelettrico

All’inizio del XX secolo, l’energia solare riceve una spinta decisiva grazie a due giganti della fisica: James Clerk Maxwell e Albert Einstein. Maxwell, con la sua teoria elettromagnetica, fornisce una spiegazione fondamentale del comportamento della luce e delle onde elettromagnetiche. Poi arriva Einstein, che nel 1905 pubblica un articolo che descrive l’effetto fotoelettrico, spiegando come la luce possa liberare elettroni da un materiale, generando corrente elettrica. Einstein non costruisce direttamente celle fotovoltaiche, ma getta le fondamenta teoriche di tutto ciò che verrà dopo. 

Proprio per questo lavoro – e non per la Teoria della Relatività, che viene considerata troppo rivoluzionaria anche dall’Accademia di Svezia – Einstein riceverà il Premio Nobel per la Fisica del 1921. 

Arriva il silicio con Pearson, Chapin e Fuller

Nel 1954, tre scienziati dei Bell Laboratories – Daryl Chapin, Calvin Fuller e Gerald Pearson – creano la prima cella solare al silicio. Questa cella ha un’efficienza del 6%, un miglioramento significativo rispetto alla cella di Fritts, e può essere utilizzata per alimentare piccoli dispositivi elettronici. Se Fritts aveva immaginato il futuro, Chapin, Fuller e Pearson lo portano un passo più vicino alla realtà.

I Bell Labs dimostrano la nuova tecnologia collegando una piccola cella solare a un giocattolo rotante, alimentato esclusivamente dalla luce solare. Il prototipo è semplice, ma mostra al mondo che l’energia solare non è solo una curiosità scientifica, ma una realtà che può avere applicazioni concrete. In pratica, è come se avessero acceso una piccola lampadina – solo che quella lampadina, un giorno, avrebbe illuminato intere città.

Pannelli solari nello spazio

Negli anni ’60, la tecnologia fotovoltaica fa un balzo in avanti grazie alla corsa allo spazio. I satelliti richiedono una fonte di energia affidabile; e i pannelli solari al silicio si rivelano ideali. Il primo satellite a utilizzare l’energia solare è il Vanguard 1, lanciato nel 1958: utilizza un pannello solare da 1 Watt per alimentare la radio di bordo. Da allora, quasi tutti i satelliti successivi adottano pannelli fotovoltaici e l’energia solare diventa un elemento essenziale nelle missioni spaziali. Elemento spesso critico, come il fallito dispiegamento dei pannelli solari dello Skylab, che ha prima azzoppato e poi costretto gli americani ad abbandonare il progetto.

In un certo senso, si potrebbe dire che l’energia solare “prende il volo” – letteralmente – e diventa una delle tecnologie chiave dell’era spaziale. Oggi la International Space Station è alimentata da 262.400 celle solari che coprono un’area pari a mezzo campo di calcio producendo fino a 120 kW di elettricità. Il problema per la ISS non sono le nuvole ma… la Terra, che la mette in ombra per metà della sua orbita.

Le generazioni di pannelli fotovoltaici

La ricerca continua, e la tecnologia dei pannelli fotovoltaici si evolve attraverso diverse generazioni:

Prima generazione (pannelli al silicio cristallino): Questi sono i primi pannelli fotovoltaici commerciali, basati sul silicio cristallino, prima amorfo, poi policristallino, infine monocristallino. Sono efficienti, durevoli e relativamente facili da produrre, anche se inizialmente costosi.

Seconda generazione (film sottili): Negli anni ’80 e ’90, emergono i pannelli a film sottile, che utilizzano materiali come il tellururo di cadmio (CdTe), il diseleniuro di rame-indio-gallio (CIGS) o sostanze esclusivamente organiche (OPV). Sono meno costosi da produrre e possono essere applicati su superfici flessibili, ma tendono a essere meno efficienti dei pannelli al silicio cristallino.

Terza generazione (celle a perovskite e tecnologie emergenti): Più recentemente, la ricerca si è concentrata su materiali come le perovskiti, che promettono di aumentare ulteriormente l’efficienza riducendo i costi. Le celle a perovskite, ancora in fase di sviluppo, potrebbero rivoluzionare il mercato solare.

Quarta generazione (tecnologie ibride): Stiamo assistendo all’emergere di tecnologie ibride che combinano diversi materiali e metodi di produzione per creare pannelli solari ancora più efficienti e versatili. L’obiettivo è migliorare l’efficienza di conversione e rendere l’energia solare accessibile su larga scala.

L’Italia e la prima centrale fotovoltaica

Mentre l’energia solare inizia a ricoprire i tetti di tutto il mondo, anche l’Italia fa la sua parte. Nel 1981, viene inaugurato a Passo della Mandriola, in provincia di Rimini, il primo impianto fotovoltaico italiano. Questo impianto pilota, realizzato dall’ENEL, ha una capacità di 3 kW e rappresenta un importante passo avanti per l’energia solare nel Paese. Da allora, l’Italia – con alterne vicende come per ogni processo nel nostro Paese – ha continuato a investire nel fotovoltaico, diventando uno dei leader europei nella produzione di energia solare.

La continua evoluzione del fotovoltaico: un futuro luminoso

Oggi, i pannelli fotovoltaici sono una tecnologia matura e in continua evoluzione. I costi di produzione sono diminuiti drasticamente, rendendo l’energia solare una delle fonti di energia più economiche al mondo. Secondo l’International Energy Agency, l’energia solare rappresenta la principale fonte di energia rinnovabile, con oltre 1.200 GW di capacità installata a livello globale alla fine del 2023. Le previsioni indicano che, entro il 2030, la capacità globale del solare potrebbe superare i 3.300 GW, consolidando la sua posizione come pilastro della transizione energetica.

La collaborazione di generazioni di scienziati

La storia dei pannelli fotovoltaici è un esempio straordinario di come il progresso tecnologico non sia mai il risultato di un singolo individuo, ma di un continuo lavoro di squadra che attraversa le generazioni.

Da Becquerel a Chapin, da Einstein a Fuller, ogni scienziato ha contribuito con una piccola parte alla costruzione di una tecnologia che oggi è essenziale per un futuro sostenibile.

E mentre ci godiamo un po’ di sole, sappiamo che ogni raggio di luce catturato dai pannelli solari non è solo un passo verso l’indipendenza energetica, ma anche un tributo a tutti quegli scienziati grazie ai quali oggi possiamo affrontare le sfide globali del cambiamento climatico e costruire un mondo in cui l’energia pulita sia accessibile a tutti.