Effetto fotovoltaico
L'effetto fotovoltaico si realizza quando un elettrone presente nella
banda di valenza
di un materiale ,generalmente
semiconduttore
passa alla
banda di conduzione
a causa dell'assorbimento di un
fotone
sufficientemente energetico incidente sul materiale.
L'effetto fotovoltaico si realizza quando un elettrone presente nella banda di valenza di un
materiale (generalmente semiconduttore) passa alla banda di conduzione a causa
dell'assorbimento di un fotone sufficientemente energetico incidente sul materiale.
si definisce come banda di valenza
quella della Struttura elettronica a
bande più bassa in energia fra quelle
occupate da elettroni. Il termine
"valenza" è stato dato in analogia agli
elettroni di valenza di un atomo, che
sono quelli del guscio atomico più
esterno. E come in un atomo, gli
elettroni di valenza di un solido sono
quelli responsabili delle
caratteristiche fisiche principali del
solido
semiconduttori sono materiali che
hanno una resistività (o anche una
conducibilità) intermedia tra i
conduttori e gli isolanti. Essi sono
alla base di tutti i principali dispositivi
elettronici e microelettronici a stato
solido quali i transistor, i diodi e i
diodi ad emissione luminosa (LED).
Le proprietà dei semiconduttori
diventano interessanti se vengono
opportunamente drogati con
impurità. Le loro caratteristiche quali
resistenza, mobilità, concentrazione
dei portatori di carica sono
importanti per determinare il campo
di utilizzo.
L'effetto fotovoltaico si realizza quando un elettrone presente nella banda di valenza di un
materiale (generalmente semiconduttore) passa alla banda di conduzione a causa
dell'assorbimento di un fotone sufficientemente energetico incidente sul materiale.
Si definisce come banda di
conduzione quella della Struttura
elettronica a bande più alta in
energia fra quelle non occupate da
elettroni. Ovvero anche quella
parzialmente occupata da elettroni.
È chiamata così per il fatto che è la
banda responsabile della
conduzione di elettricità.
In fisica, il fotone (dal greco φως
"phos", che significa luce) è una
particella elementare, il quanto del
campo elettromagnetico. Il termine
"fotone" fu coniato dal chimico
statunitense Gilbert Newton Lewis
nel 1926 per definire quelli che da
Planck erano stati chiamati
"quanti", in riferimento alla sua
ipotesi secondo la quale l'energia
fosse trasportata dalla radiazione
elettromagnetica in pacchetti
discreti, i quanti.
L'effetto fotovoltaico, osservato per la prima volta da Alexandre Edmond
Becquerel nel 1839, costituisce una delle prove indirette della natura
corpuscolare delle onde elettromagnetiche. La teoria fisica che spiega
l'effetto fotoelettrico, del quale l'effetto fotovoltaico rappresenta una
sottocategoria, fu pubblicata nel 1905 da Albert Einstein che per questo
ricevette il premio Nobel.
Quando una radiazione elettromagnetica investe un materiale può, in
certe condizioni, cedere energia agli elettroni più esterni degli atomi
del materiale e, se questa è sufficiente, l'elettrone risulta libero di
allontanarsi dall'atomo di origine. L'assenza dell'elettrone viene
chiamata in questo caso lacuna. L'energia minima necessaria
all'elettrone per allontanarsi dall'atomo (passare quindi dalla banda di
valenza che corrisponde allo stato legato più esterno alla banda di
conduzione ove non è più legato) deve essere superiore alla banda
proibita del materiale.
Banda proibita(Bandgap)
La banda proibita di un isolante o di
un semiconduttore è l'intervallo di
energia interdetto agli elettroni.
Ovvero, in un isolante (o
semiconduttore) non drogato non può
esistere un elettrone, in uno stato
stazionario, che abbia un'energia
relativa compresa nella banda proibita.
Generalmente il livello di energia
inferiore che limita la banda si chiama
livello o banda di valenza, mentre
quello superiore si chiama livello o
banda di conduzione.
Il silicio non drogato ha una banda
proibita di circa 1,12 eV a temperatura
ambiente.
Nella banda proibita avvengono i
processi di ricombinazione elettrone lacuna.
La struttura delle bande di conduzione e di valenza in
un metallo in un semiconduttore e in un isolante.
La banda proibita è chiamata Bandgap.
Tecnologie a confronto
Di molti materiali impiegabili
per la costruzione dei moduli
fotovoltaici,
il silicio
è in assoluto
il più utilizzato.
Le tecnologie di realizzazione
più comuni sono:
Moduli a film sottile
Moduli cristallini
• Silicio monocristallino
(opportunamente drogato)
•Silicio policristallino
•Silicio amorfo(EROEI)*
•Tellururo di cadmio
•Solfuro di cadmio(spray pericoloso)
•Arseniuro di gallio(costoso)
•Diseleniuro di indio rame(CIS)
•Diseleniuro di indio rame gallio(CIGS)
Varianti proprietarie
•Eterogiunzione
•Silicio microsferico
SEMICODUTTORI
RETICOLO CRISTALLINO DEL
SILICIO
Ogni atomo è legato a 4
atomi
Ogni atomo condivide 1
elettrone con ciascun atomo
a cui è legato
Creazione ottetto di elettroni
CONFIGURAZIONE
STABILE
No movimento di elettroni
Comportamento da isolante
GIUNZIONE SILICIO p-n
GIUNZIONE P-N
Si parla di giunzione p-n per indicare
l’insieme di due regioni di un
semiconduttore ,una drogata di tipo n e
l’altra di tipo p.
Anche se il materiale è neutro, quando si
mettono a contatto le due regioni, si genera
un flusso elettronico dalla zona n a quella p.
Gli elettroni della zona n diffondono nella
zona p e dunque il silicio tipo n si carica
positivamente mentre quello di tipo p si
carica negativamente e la regione intermedia
che si crea viene detta zona di svuotamento
o di carica spaziale.
Si crea quindi ,all'equilibrio, un campo
elettrico interno al sistema che ha
un’ampiezza di pochi micrometri.
Il campo, anche avendo uno spessore
minimo (1 μm), possiede un'elevatissima
intensità (10.000 V/cm).
Esso tiene separate fortemente le zone
rimaste con le cariche mobili n e p.
La sua direzione è quella che va secondo la
convezione dalla cariche positive a quelle
negative.
Investendo la giunzione p - n con una
radiazione luminosa si ottengono delle
coppie elettrone-lacuna sia nella zona n che
in quella p.
GIUNZIONE P-N
Gli elettroni in eccesso originati dall’assorbimento
della luce sono separati dalle rispettive lacune per
mezzo del campo elettrico, il quale spinge gli
elettroni verso la zona n e le lacune verso la zona
p.
Questa concentrazione di cariche positive da una
parte e di cariche negative dall'altra rappresenta
una differenza di potenziale che genera una
corrente elettrica.
Il processo può cosi essere sintetizzato:
L'elettrone presente nella zona p energizzato
dall'energia dei fotoni riesce a saltare la giunzione
attirando a se una lacuna delle zona n.
Le due cariche si elidono sulla giunzione, un
nuovo elettrone energizzato chiama a sè una
nuova lacuna creando un elettrone libero che
fluisce dalla zona n alla zona p attraversando il
carico C
Connettendo la giunzione p - n con un
conduttore si ottiene, nel circuito
esterno, un flusso di elettroni dallo
strato n a potenziale maggiore allo
strato p a potenziale minore.
L’elettricità fluisce con regolarità
sottoforma di corrente continua fino a
quando la cella è investita dalla
radiazione luminosa.
CELLA FOTOVOLTAICA
Tensione
Il circuito equivalente di una cella
fotovoltaica
I moduli fotovoltaici sono
accomunati dal comportamento
elettrico simile a quello di un
generatore di corrente quasi perfetto.
CELLA fotovoltaica
La cella fotovoltaica o cella solare è l'elemento base nella costruzione di un modulo fotovoltaico.
La versione più diffusa di cella fotovoltaica, quella in materiale cristallino, è costituita da una
lamina di materiale semiconduttore, il più diffuso dei quali è il silicio, e si presenta in genere di
colore nero o blu e con dimensioni variabili dai 4 ai 6 pollici. Piccoli esemplari di celle
fotovoltaiche in materiale amorfo sono in grado di alimentare autonomamente dispositivi
elettronici di consumo, quali calcolatrici, orologi e simili. Analogamente al modulo, il rendimento
della cella fotovoltaica si ottiene valutando il rapporto tra l'energia prodotta dalla cella e l'energia
luminosa che investe l'intera sua superficie. Valori tipici per gli esemplari in silicio policristallino
comunemente disponibili sul mercato si attestano attorno al 18%. (L'efficienza del modulo è
sempre minore ndr.)
Una comune cella fotovoltaica in
silicio policristallino
MODULO
Un comune modulo fotovoltaico in silicio
monocristallino
PANNELLO
Un modulo fotovoltaico è un dispositivo in grado di convertire l'energia solare
direttamente in energia elettrica mediante effetto fotovoltaico ed è impiegato come
generatore di corrente quasi puro in un impianto fotovoltaico. Può essere
meccanicamente preassemblato a formare un pannello fotovoltaico, pratica caduta in
disuso con il progressivo aumento delle dimensioni dei moduli, che ne hanno quindi
incorporato le finalità. Può essere esteticamente simile al pannello solare termico, ma
ha scopo e funzionamento profondamente differenti.
Due pannelli formati ognuno da 12 moduli fotovoltaici montati su supporti a
inseguimento solare
Il campo fotovoltaico
Il campo fotovoltaico é costituito da un insieme di moduli fotovoltaici collegati in serie e in parallelo tra di loro.
La pratica comune di classificare i prodotti in commercio in 12, 18 o 24 V non
deriva dalla tensione al suo punto di massima efficienza, ma dalla possibilità di
collegarvi una batteria ricaricabile con analoga tensione nominale.
Certificazioni
I moduli fotovoltaici, se impiegati in un impianto fotovoltaico connesso alla rete all'interno
dell'Unione Europea, devono obbligatoriamente essere certificati in base alla normativa IEC
61215, che ne determina le caratteristiche sia elettriche che meccaniche. Tra i test più importanti si
cita quello per determinarne la potenza in condizioni di insolazione standard, espressa in watt
picco (Wp).
Costi
Oltre ai problemi di efficienza un discorso a parte meritano i costi di realizzazione delle celle
fotovoltaiche, dei relativi moduli e impianti. Per quanto riguarda le celle fotovoltaiche i costi sono
gravati fino a circa il 33% dal materiale (ad es. silicio) comprendendo gli scarti di lavorazione e il
costoso processo di purificazione. Vanno aggiunti poi i restanti costi per i processi di realizzazione
della cella fotovoltaicaica. Ragionando in termini di moduli fotovoltaici, ai costi della cella solare si
devono aggiungere i costi della realizzazione dei moduli interi ovvero dei materiali assemblanti,
della messa in posa a terra tramite materiali, dell'elettronica di potenza necessaria (inverter), della
manodopera e della manutenzione. Sommato il tutto si giunge ad un costo indicativo di circa 33
centesimi di euro per kilowattora prodotto, cosa che rende questa tecnologia ancora troppo
poco competitiva all'interno del mercato mondiale dell'energia.[1] Come incentivo alla
realizzazione di impianti fotovoltaici è attivo in Italia il sistema Conto Energia.
