ESPERIENZA N° 8: UNA CELLA SOLARE CASALINGA

ESPERIENZA N° 8: UNA CELLA SOLARE CASALINGA
PROPRIETÀ E APPLICAZIONI:
La cella solare è un dispositivo per la trasformazione di energia luminosa in energia elettrica.
L’applicazione più nota di questi tipi di dispositivi sono i pannelli solari per la produzione
domestica di energia elettrica. Un altro esempio è costituito dai lampioni fotovoltaici, che si usano
lungo le strade in zone non elettrificate.
Tali dispositivi si avvalgono delle proprietà di un importantissimo semiconduttore intrinseco come
il silicio monocristallino Altri semiconduttori, anche se meno efficaci del silicio, possono essere
impiegati allo stesso scopo.
Un semiconduttore intrinseco è un materiale di struttura cristallina, che a temperatura ambiente si
comporta come un isolante e dipende molto dalla temperatura (l’ordine di grandezza della
resistenza di un semiconduttore va da 10-2 a 109 ohm·cm, intermedia fra quella dei buoni conduttori
– 10-6ohm·cm- e quella degli isolanti - da1014 a 1022ohm·cm - ).
La caratteristica di questo tipo di sostanza è che, qualora sottoposta all’azione di una radiazione
elettromagnetica o ionizzante in generale, si comporta come un conduttore.
Inserendo nella struttura cristallina di un semiconduttore impurità di particolari elementi (per
esempio atomi di boro nel cristallo di silicio), si aumenta di molto la sua conducibilità, e si avrà un
semiconduttore non più intrinseco, ma “drogato”.
Il semiconduttore che sarà impiegato in questa esperienza è l’ossido di dirame Cu2O, che è possibile
produrre sotto gli occhi degli studenti. Il dispositivo attraverso il quale si avrà la trasformazione
energetica (radiante → elettrica) è una cella elettrochimica.
L'esperienza che ci proponiamo di effettuare si occupa del principio fisico che determina il
funzionamento di una cella solare ed ha il vantaggio di poter essere realizzata interamente
dall'esecutore, senza doversi avvalere di dispositivi già tarati e funzionanti, il cui utilizzo non
permetterebbe all'allievo di addentrarsi sufficientemente nelle problematiche relative alla
descrizione dei fenomeni fisici che costituiscono i fondamenti e la spiegazione del loro
funzionamento.
Essa è costituita da due elettrodi immersi in una soluzione elettrolitica.
Uno dei due elettrodi è costituito da un film di Cu2O (depositato su un substrato di rame); il
secondo elettrodo che ha la funzione di chiudere il circuito elettrico è costituito da una lamina di
rame.
Questa particolare cella solare produrrà una differenza di potenziale elettrico tale da generare
un'intensità di corrente che va da qualche µA a qualche centinaia di µA . Ciò dipende, tra gli altri
fattori, dall’intensità della luce e dalla superficie dell’elettrodo semiconduttore esposta alla luce.
La figura mostra un esempio di cella ottenuta con gli elementi sopra menzionati.
OCCORRENTE PER L'ESPERIENZA
• mezza bottiglia di plastica contenente acqua e sale
• due elettrodi di rame di cui uno preparato con uno strato di Cu2O
• un microamperometro
• cavetti di collegamento tra elettrodi e microamperometro
• PREPARAZIONE
Ci serviremo di due elettrodi costituiti da due lamine di rame, una delle quali sarà riscaldata ad una
temperatura di almeno 500°C per creare uno strato di ossido rameoso Cu2O.
Per ottenere la giusta ossidazione è necessario fare uso di un forno a piastra elettrica riscaldante, che
raggiunga temperature elevate, oppure di un fornello da campeggio, o in alternativa, di una muffola,
che può trovarsi forse in istituti tecnici. L'ossidazione del rame porta alla formazione sulla
superficie della lamina non solo di Cu2O, ma anche di ossido rameico CuO che è un isolante, di
assoluta inutilità per il nostro lavoro. Tale ossido va rimosso molto delicatamente con le mani anche
sotto l'acqua corrente, oppure con carta vetrata di granulometria fine.
La soluzione elettrolitica è essenzialmente costituita di NaCl, il sale di cucina, facilmente reperibile
in drogheria.
Gli elettrodi saranno collegati con i cavetti e si potranno misurare contemporaneamente la tensione
(con un voltmetro) e l'intensità di corrente con un microamperometro.
In assenza di adeguata illuminazione la corrente che passa nel circuito elettrico sarà molto bassa;
in presenza di diversa illuminazione, a partire dall'ombra, e aumentandola ponendo la lampada a
distanze diverse dalla cella, si otterranno diverse quantità di corrente elettrica.
Ecco uno schema del semplicissimo circuito di cui si farà uso:
V
-
+
COSA SI FA A SCUOLA:
• descrizione del funzionamento della cella
• ossidazione della lamina di rame qualora la scuola sia provvista di un forno adeguato
• preparazione del semplice dispositivo
• misura delle tensioni e delle correnti tra gli elettrodi al variare di:
•
profondità di immersione degli elettrodi,
•
intensità della luce orientata sulla cella
• ricerca di una eventuale relazione quantitativa fra corrente generata e grandezze variate
COSA SI PUÒ FARE ALL'UNIVERSITÀ:
•
•
•
Esame al microscopio elettronico a scansione: si può osservare la morfologia superficiale
dello strato di Cu2O e delle zone contenenti CuO.
Verificare la composizione dello strato superficiale con una microanalisi chimica
FUNZIONAMENTO DELLA CELLA SOLARE:
La chiave del fenomeno è la funzione da semiconduttore del Cu2O.
La struttura elettronica di quest'ossido è tale che esiste un gap energetico (nel caso pari a 2.1eV1 tra
la banda di valenza e quella di conduzione.
Tale separazione energetica viene comunemente superata da una percentuale minima di elettroni per
effetto termico. Tuttavia, il non utilizzo della separazione di carica generata, fa si che gli elettroni
successivamente tendano a ricombinarsi con le lacune formatesi inizialmente per effetto del loro
passaggio in banda di conduzione. Qualora l'ossido venga investito da una luce di lunghezza d'onda
corrispondente ad un'energia di almeno 2.1 eV, il gap energetico potrà essere superato da una
percentuale più elevata di elettroni.
Gli elettroni che giungono alla banda di conduzione, se opportunamente convogliati da un campo
elettrico, fornito dalla cella elettrolitica nella quale è presente l'altro elettrodo, generano una
corrente notevolmente superiore a quella di fondo, rendendo trascurabile il fenomeno della
ricombinazione elettrone-lacuna. Nella cella solare dell'immagine l’intensità di corrente passa da 6
a 33 microampère alla luce del sole, mentre orientando opportunamente la lampada si può trovare
una differenza anche maggiore tra la corrente nell’ombra e quella nella luce.
1
“Introduzione alla fisica dello stato solido” di Charles Kittel, 1971 Bollati Boringhieri a pag. 315, in cui compare una
tabella con i valori del gap energetico fra bande di valenza e di conduzione per diversi semiconduttori a temperatura
ambiente.
Dopo aver lavato gli elettrodi di rame e averli passati con acetone si mettono a scaldare in due
modi diversi per osservare la diversa formazione degli ossidi.
Contemporaneamente si prepara una soluzione di NaCl in acqua (di rubinetto) e si monta il circuito
prima mostrato.
Dopo aver esposto la cella alla luce della lampada magari in due diverse posizioni, si possono
eseguire le seguenti misure:
Misure da
effettuare
Elettrodo
rame
di
Elettrodo
Cu2O
fornello
elettrico
di
sul
Elettrodo
di
Cu2O
sul
fornello a gas
Elettrodi con
superficie
dimezzata
Elettrodo
Cu2O
fornello
elettrico
di
sul
Elettrodo
di
Cu2O
sul
fornello a gas
Tensione
Corrente
fondo
fondo
Corrente
Tensione
luce vicina luce vicina
Corrente
luce
lontana
Tensione luce
lontana