Come funziona una cella fotovoltaica

Percorso sulle energie alternative per una Architettura sostenibile
IL FOTOVOLTAICO E
L’ARCHITETTURA
Prof. Paolo ZAZZINI
Ing. Nicola SIMIONATO
Percorso sulle energie alternative per una Architettura sostenibile
IL FOTOVOLATICO E L’ARCHITETTURA
6 Aprile 2011
COME FUNZIONA UNA
CELLA FOTOVOLTAICA
EFFETTO FOTOVOLTAICO:
Un flusso luminoso che incide su un materiale semiconduttore
opportunamente drogato genera un movimento di elettroni grazie al
quale l’energia luminosa incidente si trasforma in energia elettrica
Effetto fotoelettrico: i fotoni incidenti possono, nell’urto, fornire agli
elettroni più esterni degli atomi del semiconduttore energia
sufficiente per staccarsi dal nucleo di appartenenza ed essere
disponibili per trasportare energia
Il principio fisico alla base del funzionamento di una cella
fotovoltaica (effetto fotoelettrico) fu scoperto per primo da un
fisico italiano Augusto Righi nel 1888 e formulato
matematicamente da Einstein circa vent’anni più tardi
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6 Aprile 2011
MODELLO DELL’ATOMO secondo BOHR
Modello superato ma sufficientemente descrittivo del meccanismo
Interazione nucleo elettrone: equilibrio tra forze elettrostatiche
attrattive (coulombiane) e centrifughe (dovute alla velocità di
rotazione dell’elettrone).
In un atomo isolato equilibrio possibile solo su alcune orbite (livelli di
energia) secondo le leggi di Planck
In un cristallo o in un materiale con numerosi atomi le orbite di atomi
vicini si influenzano a vicenda e creano bande in cui è possibile
trovare gli elettroni
Banda più distante dal nucleo: di valenza
All’esterno della banda di valenza c’è la banda di conduzione,
dove si trovano gli elettroni liberi
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Gap di energia tra le bande di valenza e di
conduzione
Energia
1,2 eV
5 eV
Conduttore
Silicio
(semiconduttore)
Parziale
sovrapposizione:
passaggio di elettroni
senza incrementi di
energia
Situazione intermedia
Isolante
Elevato gap di energia
che separa le due
bande
energia cinetica di un elettrone sottoposto ad un campo elettrico uniforme
sotto l'azione della differenza di potenziale di 1 Volt.
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Elettrone libero
Nei semiconduttori (piccolo salto di energia):
L’ elettrone, ricevendo energia dai fotoni, può saltare dalla banda di
valenza a quella di conduzione diventando LIBERO (staccato
dall’atomo di origine)
Salto più facile a più elevata temperatura.
Silicio:
gap di energia = 1,12 eV
1,12 eV: minima energia che deve avere il fotone
radiazioni efficaci: l < 1,1 mm
L’eventuale eccesso di energia viene dissipato
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Drogaggio p ed n
La creazione di un elettrone libero genera nell’atomo una lacuna
(carica positiva)
L’elettrone libero si muove sollecitato dai campi elettrici
In un semiconduttore illuminato si generano continuamente
elettroni liberi e lacune.
E’ necessario evitare che elettrone e lacuna si ricombinino
emettendo luce (effetto LED)
Drogaggio di tipo p (elettrone in difetto) e drogaggio di tipo n
(elettrone in eccesso) producono un campo elettrico in grado di
tenere separati elettroni e lacune
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Es. SILICIO valenza 4
Drogaggio tipo n fosforo (P) valenza 5
Drogaggio tipo p boro (B) valenza 3
Silicio tetravalente
Cristallino stabile con legami covalenti
tra cinque atomi di silicio
Drogaggio di tipo n: l'atomo drogante
ha un elettrone in più di quelli
necessari per soddisfare i legami del
reticolo cristallino e tale elettrone
diventa libero di muoversi all'interno del
semiconduttore.
Drogaggio di tipo p: l'atomo drogante ha un
elettrone in meno di quelli necessari per
soddisfare i legami tale lacuna si comporta
come una particella carica positivamente e si
può muovere all’interno del semiconduttore
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Moto di elettroni e lacune
Il moto reale degli elettroni genera un moto fittizio delle lacune:
l’elettrone che nel suo moto va a riempire una lacuna di un atomo vicino crea
una lacuna nell’atomo di provenienza dando luogo ad uno spostamento di
carica positiva (lacuna)
Gli atomi drogati p ed n sono entrambi neutri ma hanno cariche mobili,
rispettivamente positive e negative (n° elettroni = n° protoni)
Se i due materiali drogati sono posti a contatto le cariche mobili si uniscono
nella zona di giunzione, lasciando, nei rispettivi materiali presso la giunzione,
regioni non più neutre: dove c’era un elettrone in più c’è ora un protone in
più nel nucleo del materiale drogante e dove c’era un elettrone in meno
c’è ora un protone in meno nel nucleo del materiale drogante
Il materiale di tipo n si caricherà positivamente e quello di tipo p
si caricherà negativamente
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Giunzione p-n
All’equilibrio si crea un campo elettrico alla giunzione di minimo spessore (1 mm)
ma di intensità elevatissima (10000 V/cm) che tiene fortemente separate le
zone rimaste con cariche mobili n e p
Regione P
+
+
+
+
+
+
Regione N
Se a questo punto il materiale viene irraggiato si liberano elettroni nella regione
di tipo P separando coppie elettrone-lacuna. Per effetto del forte campo elettrico
l’elettrone viene spinto nel materiale di tipo n mentre la lacuna viene spinta nel
materiale di tipo p.
Non è possibile infatti una immediata ricombinazione elettrone lacuna
perché il campo elettrico intenso tiene separate le lacune dagli elettroni
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La forte concentrazione di cariche positive da una parte e
negative dall’altra costituisce la differenza di potenziale che
genera la corrente elettrica
Flusso di
elettroni
Regione P
+
+
+
+
+
+
Regione N
Collegando un circuito ai capi dei due elementi gli elettroni si
muoveranno verso la piastra caricata positivamente fluendo nel
conduttore
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