Fisica del Fotovoltaico

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La radiazione solare
La radiazione solare è l’energia elettromagnetica emessa dai processi di fusione dell’idrogeno
(in atomi di elio) contenuto nel sole. L’energia solare che in un anno, attraverso l’atmosfera,
giunge sulla terra è solo circa 1/3 dell’energia totale intercettata dalla terra al di fuori
dell’atmosfera e di essa il 70% cade sui mari. Tuttavia la rimanente energia (1,5 x 10 17 kWh)
che in un anno cade sulle terre emerse è pari ad alcune migliaia di volte il consumo totale
energetico mondiale attuale.
L’irraggiamento (flusso solare o densità di potenza della radiazione solare) raccolto fuori
dall’atmosfera su una superficie perpendicolare ai raggi solari è detta
costant
e solare
ed è pari a 1353 W/m
2
, variabile durante l’anno del ± 3% a causa dell’ellitticità dell’orbita terrestre. Nella figura
seguente si riporta l’andamento dell’irraggiamento, rilevato al di fuori dell’atmosfera, durante un
anno:
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Il valore massimo misurato sulla superficie terrestre invece è di circa 1000 W/m 2 , in condizioni
ottimali di sole a mezzogiorno e giornata estiva serena.
La radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre si distingue in diretta e diffusa.
Mentre la radiazione diretta colpisce una qualsiasi superficie con un unico e ben preciso angolo
di incidenza, quella diffusa incide su tale superficie con vari angoli. Occorre ricordare che
quando la radiazione diretta non può colpire una superficie a causa della presenza di un
ostacolo, l’area ombreggiata non si trova completamente oscurata grazie al contributo della
radiazione diffusa. Questa osservazione ha rilevanza tecnica specie per i dispositivi fotovoltaici
che possono operare anche in presenza di sola radiazione diffusa (moduli CIS).
Una superficie inclinata può ricevere, inoltre, la radiazione riflessa dal terreno o da specchi
d’acqua o da altre superfici orizzontali, tale contributo è chiamato albedo.
Le proporzioni di radiazione diretta, diffusa ed albedo ricevuta da una superficie dipendono:
dalle condizioni meteorologiche (infatti in una giornata nuvolosa la radiazione è pressoché
totalmente diffusa; in una giornata serena con clima secco predomina invece la componente
diretta, che può arrivare fino al 90% della radiazione totale); dall’inclinazione della superficie rispetto al piano orizzontale (una superficie orizzontale
riceve la massima radiazione diffusa e la minima riflessa, se non ci sono intorno oggetti a quota
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superiore a quella della superficie); dalla presenza di superfici riflettenti (il contributo maggiore alla riflessione è dato dalle
superfici chiare; così la radiazione riflessa aumenta in inverno per effetto della neve e
diminuisce in estate per l’effetto di assorbimento dell’erba o del terreno).
Al variare della località, inoltre, varia il rapporto fra la radiazione diffusa e quella totale e poiché
all’aumentare dell’inclinazione della superficie di captazione diminuisce la componente diffusa e
aumenta la componente riflessa, l’inclinazione che consente di massimizzare l’energia raccolta
può essere differente da località a località.
La posizione ottimale, in pratica, si ha quando la superficie è orientata a sud con angolo di
inclinazione pari alla latitudine del sito: l’orientamento a sud infatti massimizza la radiazione
solare captata ricevuta nella giornata e l’inclinazione pari alla latitudine rende minime, durante
l’anno, le variazioni di energia solare captate dovute alla oscillazione di ± 23.5° della direzione
dei raggi solari rispetto alla perpendicolare alla superficie di raccolta.
Se chiamiamo I D la radiazione diretta, I S quella diffusa ed R l’albedo, allora si ha che la
radiazione solare totale che incide su una superficie è:
IT = ID + IS + R
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L'effetto Fotovoltaico La conversione diretta dell’energia solare in energia elettrica utilizza il fenomeno fisico
dell’interazione della radiazione luminosa con gli elettroni nei materiali semiconduttori,
denominato effetto fotovoltaico. Questo fenomeno viene usualmente utilizzato nella produzione
elettrica nelle celle fotovoltaiche. Il meccanismo di funzionamento si basa sull'utilizzo di
materiali semiconduttori. Infatti, nel caso di materiali isolanti, il band gap, cioè l’energia minima
richiesta per rompere un legame del reticolo cristallino, risulta troppo elevato per poter essere
eguagliato dall'energia del fotone incidente, mentre per i materiali conduttori l'energia del band
gap è piccolissima, quindi a temperatura ambiente c'è una continua creazione e distruzione di
coppie elettrone-lacuna e l'energia necessaria alla creazione viene fornita direttamente dalle
fluttuazioni termiche.
Quando un flusso luminoso investe invece il reticolo
cristallino di un semiconduttore, si verifica la transizione in banda di conduzione di un certo
numero di elettroni al quale corrisponde un egual numero di lacune che passa in banda di
valenza. Si rendono pertanto disponibili portatori di carica, che possono essere sfruttati per
generare una corrente. Per realizzare ciò è necessario creare un campo elettrico interno alla
cella, stabilendo un eccesso di atomi caricati negativamente (anioni) in una parte del
semiconduttore ed un eccesso di atomi caricati positivamente (cationi) nell’altro. Questo
meccanismo si ottiene mediante drogaggio del semiconduttore che generalmente viene
realizzato inserendo atomi del terzo gruppo come ad esempio il boro e del quinto gruppo
(fosforo) per ottenere rispettivamente una struttura di tipo p (con un eccesso di lacune) ed una
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di tipo n (con un eccesso di elettroni). Lo strato drogato con elementi del quinto gruppo, che
hanno cinque elettroni esterni (o di valenza) contro i tre di quelli del terzo gruppo, presenta una
carica negativa debolmente legata, costituita da un elettrone in eccesso per ogni atomo
drogante. Nello stesso modo, nello strato drogato con elementi del terzo gruppo, che hanno
invece tre elettroni esterni, si ottiene un eccesso di carica positiva, data dalle lacune degli atomi
droganti. Il primo strato, a carica negativa, viene generalmente chiamato strato n, l'altro, a
carica positiva, strato p, la zona di separazione è detta giunzione p-n.
Va sottolineato che il materiale risulta essere globalmente neutro, dato che il drogaggio viene
realizzato con atomi neutri (non ioni), quello che cambia è l'eccesso di elettroni nei legami
covalenti, da una parte, e il difetto degli stessi dall'altra. Mettendo a contatto i due materiali così
ottenuti, si viene a verificare un flusso di diffusione di elettroni dalla zona n alla zona p e di
lacune in direzione opposta, fino al raggiungimento dell'equilibrio elettrostatico, che determina
un eccesso di carica positiva nella zona n, un eccesso di elettroni nella zona p e una regione
intermedia detta regione di svuotamento (in inglese depletion region). Il risultato è un campo
elettrico interno al dispositivo (detto campo elettrico di built-in) che si estende a cavallo della
regione di svuotamento, generalmente spessa pochi micrometri.
A questo punto, se viene illuminata con fotoni la giunzione dalla parte n, vengono a crearsi delle
coppie elettrone-lacuna sia nella zona n che nella zona p. Il campo elettrico di built-in permette
di dividere gli elettroni in eccesso (ottenuti dall’assorbimento dei fotoni da parte del materiale)
dalle lacune, e li spinge in direzioni opposte gli uni rispetto agli altri. Gli elettroni, una volta
oltrepassata la zona di svuotamento non possono quindi più tornare indietro, perché il campo
impedisce loro di invertire la marcia. Connettendo la giunzione con un conduttore esterno, si
otterrà un circuito chiuso nel quale il flusso di elettroni parte dallo strato n, a potenziale
maggiore, verso lo strato p, a potenziale minore sintanto che la cella resta esposta alla luce.
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(fonti: Wikipedia, Dossier Solare Fotovoltaico, porgetto Res e Rue Dissemination ACCOMANDITA)
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