Approfondimento 1.
Semiconduttori e isolanti. Nella Figura V.2.3 sono mostrate le differenze generiche tra i livelli a 0
K tra i metalli, i semiconduttori e gli isolanti.
Figura V.5.3. Differenze tra metalli, semiconduttori e isolanti.
Si può notare che negli isolanti
a. Il numero di livelli energetici disponibili nella banda di valenza coincide esattamente con il
numero di elettroni (per ogni atomo).
b. La banda di conduzione è completamente vuota, ma l’intervallo (gap) fra le due bande è
cospicuo e gli elettroni non possono essere attivati fino a salire nella banda di conduzione.
c. Gli elettroni non hanno quindi livelli energetici disponibili sui quali muoversi.
d. Questi materiali presentano resistenze elevatissime e di fatto non conducono l’elettricità:
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Figura V.5.4. Esempio del Silicio (terza riga, Gruppo IV del Sistema periodico).
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Approfondimento 2.
Nei semiconduttori invece
a. Il gap di energia tra banda di valenza e banda di conduzione è relativamente limitato (2÷3 eV).
b. E possibile quindi il salto dell’elettrone alla banda di conduzione lasciando una lacuna in banda
di valenza.
c. Quando l’energia necessaria per il salto è disponibile, il materiale si comporta da conduttore.
d. Un semiconduttore con un gap di energia fino a 0.5 eV, quando è esposto alla radiazione
luminosa, aumenta la sua conduttività. Esso cioè è fotosensibile.
I semiconduttori possono essere
a) di tipo intrinseco.
b) sostanze isolanti possono diventare semiconduttori per aggiunta
di opportune impurezze
(droganti) che possono essere
di tipo n o di tipo p.
Un esempio di semiconduttore intrinseco è lo stagno grigio: il gap di energia tra le due bande in tal
caso è di solo 0.1 eV. Invece Carbonio, Silicio e Germanio (II, II e IV riga rispettivamente) sono
degli isolanti.
Figura V.5.5. Gap di energia per gli elementi puri del Gruppo IV del Sistema Periodico.
Nei semiconduttori intrinseci degli elettroni possono essere attivati dalla temperatura o da radiazioni
elettromagnetiche (visibili o U.V.) e saltare nella banda di conduzione, creando delle lacune
positive all’interno della banda di valenza. Il livello di Fermi in questo caso si colloca a metà del
gap fra le due bande.
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La conducibilità totale è data dalla somma delle due mobilità μ degli elettroni e delle lacune:
k = nnz-μn + npz+μp
dove i pedici n e p indicano gli elettroni e le lacune positive rispettivamente.
Figura V.5.6 Distribuzione di Fermi per un semiconduttore intrinseco.
Nei semiconduttori drogati (estrinseci) la presenza di impurezze del V o del III Gruppo comporta la
presenza di un eccesso o di un difetto rispettivamente di elettroni nel reticolo cristallino
dell’elemento del IV Gruppo. Ad esempio il Fosforo introdotto nel reticolo del silicio si comporta
–
come uno ione Si . La dispersione non è perfetta. Si creano dei livelli intermedi nei quali è
possibile, con poca energia, il salto degli elettroni nelle vicine bande di conduzione vuote. A sua
+
volta l’atomo di Boro nel reticolo del Silicio si comporta come se fosse uno ione Si . L’effetto è
quello di produrre lacune e di creare livelli di energia leggermente sfalsati poiché la dispersione non
è perfetta.
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Figura V.5.7 Diagrammi energetici di due semiconduttori drogati rispettivamente p ed n.
L’effetto delle impurezze introdotte è quello di aumentare enormemente la conduttività dei
semiconduttori e di regolarne il tipo. Infatti si generano nel semiconduttore drogato di tipo p dei
livelli accettori in prossimità della banda di valenza dove possono transitare e muoversi le lacune
positive. Nel semiconduttore di tipo n a sua volta si creano dei livelli molto prossimi alla banda di
conduzione che ospitano l’eccesso di elettroni del drogante 5+. Il livello di Fermi si situa
immediatamente al di sotto di questi livello donatore; basta l’attivazione termica per consentire agli
elettroni di saltare nella banda di conduzione.
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Approfondimento 3.
Effetto Fotovoltaico Quando si accoppiano due elementi di Silicio o di Germanio
drogati uno p e l’altro n, si genera una omogiunzione p-n. La giunzione può essere creata
anche facendo diffondere i due elementi droganti a partire dalle due facce opposte di un unico pezzo
sottile. All’atto della giunzione si genera all’interfaccia una differenza di potenziale elettrico dovuta
alla differente diffusibilità o fugacità degli elettroni nei due materiali. Subito dopo questo periodo
transiente la differenza di potenziale creatasi impedisce l’ulteriore passaggio di altri elettroni dal
materiale drogato n e si stabilisce un equilibrio dinamico. I livelli di Fermi si eguagliano e ciò
introduce una differenza di potenziale di contatto la cui energia è pari alla differenza eΦ fra i livelli
di Fermi preesistenti. (Figura V.5.8).
Figura V.5.8 Schema qualitativo delle distribuzioni di Fermi in due elementi p e n separati e
poi accoppiati.
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In pratica si realizza un diodo o valvola che, inserito in un circuito, consente il passaggio di un
flusso di elettroni , generato da una forza elettromotrice esterna, solo in direzione n--> p mentre in
senso opposto si ha una polarizzazione. La circolazione di elettroni in senso inverso può verificarsi
solo
applicando
una
f.e.m.
prevalente
rispetto
alla
polarizzazione
dell’interfaccia.
Convenzionalmente il potenziale elettrico e l’energia potenziale di un elettrone hanno andamenti
opposti (Figura V.5.9).
Figura V.5.9 Doppio strato all’interfaccia di una giunzione p – n.
La giunzione può esercitare una funzione di rettificazione: nella Figura V.2.10 (a) è mostrata la
situazione allo stabilirsi dell’equilibrio; in (b) quando viene applicata una differenza di potenziale
concordante con la polarizzazione formatasi (in tal caso la corrente, dovuta sia al flusso di elettroni
che a quello opposto di lacune, è proporzionale al voltaggio applicato dall’esterno); in (c) infine è
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mostrata la situazione in cui la f.e.m. esterna è applicata in senso opposto alla polarizzazione della
giunzione: in tal caso non si ha passaggio apprezzabile di trasportatori attraverso la giunzione finché
la f.e.m. applicata è inferiore al potenziale di polarizzazione. Quando la f.e.m. è prevalente sulla
polarizzazione gli elettroni attraversano la barriera di potenziale per effetto tunnel e si ha l’apparire
di un vistoso flusso di corrente inversa. Ciò è alla base del funzionamento del diodo Zener (U.F.
V.1.1).
Figura V.5.10 Diagramma a bande di una giunzione p – n:
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Effetto fotovoltaico Se il materiale è fotosensibile nel campo del Visibile o dell’U.V.,
l’assorbimento di un fascio di fotoni fa sì che un certo numero di elettroni salti la barriera di
potenziale, risalendo da un livello accettare a quello donatore e di qui alla banda di conduzione. Il
gap fra i due livelli donatore e accettare è abbastanza più piccolo di quello fra le bande del materiale
puro. Così la corrente può fluire nel circuito, chiuso da un utilizzatore. La radiazione solare diventa
essa stessa la sorgente che consente il passaggio di corrente (Figura V.5.11). Si noti chesolo una
frazione limitata di fotoni sono efficaci nel promuovere gli elettroni nella loro scalata(rendimento
quantico).
Figura V.5.11 Diagramma a bande in atto per una cella fotovoltaica a giunzione p – n:
12
Approfondimento 4.
Celle e pannelli per il fotovoltaico. Nelle figure V.5.12 V.5.13 è mostrata la struttura di un
singolo elemento o cella di un pannello fotovoltaico: nella faccia superiore vi è una griglia metallica
a pettine per consentire la raccolta del flusso di elettroni senza ostacolare molto l’illuminazione
solare. Vi è anche uno sottile lastra di vetro o plastica trasparente per la protezione dalla polvere e
altri agenti atmosferici. La faccia inferiore è invece connessa con una lamina metallica e il circuito
si chiude attraverso un utilizzatore a corrente continua oppure la manda ad un capace accumulatore
che consente il riutilizzo dell’energia nei periodi di oscurità. L’utilizzo invece di un inverter
(dispositivo elettronico a bassa dispersione di energia) che trasforma la tensione continua in una
ciclica alternata a 50 Hz, amplifica la tensione a 220 – 230 Volt e la stabilizza, permette l’utilizzo
dell’energia elettrica da parte di un motore o di elettrodomestici che normalmente funzionano a
corrente alternata. Infine il sistema tramite l’inverter può essere connesso direttamente con la rete di
distribuzione (figura V.2.13). Più celle vengono organizzate
in un pannello e molti pannelli
costituiscono un campo. I più grandi in funzione Italia meridionale sono i campi di Serre in
Campania e di S.Margherita di Savoia (Delphos) in Puglia. Pannelli singoli vengono utilizzati,
accoppiati con un accumulatore, per l’illuminazione stradale senza far ricorso a collegamenti on la
rete. E’ molto delicata l’orientazione rispetto al sole ed è necessario l’accoppiamento con grossi
impianti di accumulo dell’energia per gli impianti isolati, altrimenti si deve poter immettere in rete
il surplus di corrente non utilizzata localmente. Per gli impianti a terra si può dotare ogni gruppo di
pannelli di un motore e di un sistema di controllo dell’inclinazione e di basculamento orizzontale ad
inseguimento per offrire la migliore orientazione rispetto al Sole. L’orientazione è regolata da un
sensore che insegue la posizione del Sole.
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Figura V.5.12. Schema di una cella (wafer) fotovoltaica.
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Figura V.5.13. Struttura del wafer.
Figura V.5.14. Pannello a più elementi e connessioni con gli utenti.
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Figura V.5.15. Impianto fotovoltaica Delphos presso Manfredonia (FG).
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Materiali. Il materiale di base più utilizzato è il silicio cristallino che viene preparato in camere
sterili per lenta crescita e poi tagliato in sottili lamelle che vengono sottoposte al processo di doppio
drogaggio. Silicio di qualità superiore è ottenuto per lenta ossidazione di silano, SiH4, e deposizione
del materiale ottenuto. Tracce di fosfina PH3 o invece di idruro di boro BH3, ossidati assieme al
silano, possono fornire direttamente per cristallizzazione i semielementi drogati da accoppiare poi
per ottenere il wafer. Nel caso del Germanio gli elementi droganti possono essere l’arsenico AsV e
lo stesso Boro, più raramente alluminio AlIII.
E’ anche molto diffuso il silicio amorfo, preparato più facilmente e rapidamente per fusione
controllata. E’ molto più economico, ma ha vita media più breve a causa delle tensioni interne al
materiale che possono portare a rottura per le continue sollecitazioni da radiazioni
elettromagnetiche. Grandi prospettive si stanno aprendo per il Fotovoltaico a concentrazione che
consente grande risparmio di materiale. Al posto della lamina piatta di protezione si utilizza una
lente focalizzatrice che concentra i raggi solari su di una superfice molto più piccola di materiale
fotosensibile. Si spera di superare il 12 – 16 % di efficienza.
I materiali a base di Silicio e Germanio utilizzano prevalentemente i fotoni nello spettro del visibile
della radiazione solare, che sono di gran lunga i più abbondanti, ma anche quelli del vicino U.V..
Materiali fotosensibili prevalentemente nell’U.V. sono in genere molto più costosi e anche se
possono sfruttare fotoni più energetici, con un rendimento quantico più elevato, sono in parte
penalizzati dalla minore numerosità dei fotoni stessi (vedi U.F. III.2). In Tabella V.2.1 sono
riportati diversi composti sperimentati finora.
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Tabella V.5.1 Proprietà a 20°C dei semiconduttori più comuni.
Materiale
Gap di Energia
10-18 J
Conduttività Intrinseca
Eg
Ohm-1 m-1
eV
Elementi
C (diamante)
0.96
∼6
<10-16
Silicio
0.176
1.1
5x10-4
Germanio
0.112
0.7
2
Stagno (grigio)
0.016
0.1
106
AlSb
0.26
1.6
−
GaP
0.37
2.3
−
GaAs
0.22
1.4
10-6
GaSb
0.11
0.7
−
InP
0.21
1.3
500
InAs
0.058
0.36
104
InSb
0.029
0.18
−
ZnS
0.59
3.7
−
SiC (esagonale)
0.48
3
−
Composti
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Applicazioni nel campo dell’edilizia. Oltre alla possibilità di utilizzare tetti, terrazze, balconate e
viali e piazze non alberati per sistemare i pannelli, la possibilità di legare il materiale fotosensibile a
della plastica flessibile e/o trasparente può consentire di sfruttare infissi, finestre
e motivi
architettonici con piacevoli effetti ottici negli edifici.
Figura V.5.16 e 5.17 Fotovoltaico nell’edilizia.
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Applicazioni nel campo dei trasporti. Ricoperture per tetti di automobili camion, battelli sono
ampiamente sperimentati. Anche l’energia necessaria auto da corsa, moto e persino aerei
ultraleggeri sono stati equipaggiati con batterie di Pannelli fotovoltaici.
Figura V.5.17 e 5.18 Fotovoltaico nei trasporti: prototipi di automobili ad energia solare.
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Figura V.5. 19 Fotovoltaico nei trasporti: prototipo di motociclo ad energia solare.
Figura V.5.20 e 5.21 Fotovoltaico nei trasporti: Locomotiva E636.385 delle FS utilizzata per il
progetto PV-Train.
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Figura V.5.22 e 5.23 Fotovoltaico nei trasporti: Helios e Solar Impulse, due prototipi di aerei
ultraleggeri.
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