LA CELLA
FOTOVOLTAICA
di
Salvatore Massimo Gebbia
E Danilo Pirrone
I MATERIALI
SI DIVIDONO IN:
CONDUTTORI
ISOLANTI
Rame
Piombo
Stagno
Metalli
Acqua
Plastica
Legno
Vetro
Ceramica
Plexiglass
MATERIALE ISOLANTE
Applicando una differenza di potenziale ai capi di un materiale isolante
le cariche negative rappresentate dagli elettroni non possono
staccarsi dal nucleo e, pertanto, tali materiali non consentono
il passaggio di corrente elettrica.
MATERIALE CONDUTTORE
Applicando una differenza di potenziale ai capi di un materiale conduttore
le cariche negative rappresentate dagli elettroni possono
staccarsi dal nucleo muoversi liberamente all’interno del materiale.
Tali materiali, pertanto, consentono il passaggio della corrente elettrica.
ESISTONO POI I MATERIALI
SEMICONDUTTORI
In questo tipo di materiali, (es. silicio),
gli elettroni assorbono l’energia
dai fotoni che ne investono la superficie.
Tale carica acquisita, gli consente
di liberarsi dal nucleo e cio’ avviene
proporzionalmente alla quantità
di fotoni irraggiati.
In assenza di fotoni
Cella irradiata da molti
fotoni
QUANDO LA CELLA VIENE IRRADIATA DALLA LUCE
SI CREA UNA DIFFERENZA DI POTENZIALE
V+
V-
R
I (Ampère)
CHIUDENDO IL CIRCUITO
SI AVRA’ CIRCOLAZIONE DI CORRENTE
Che cos'è il fotovoltaico?
Il fotovoltaico è una tecnologia che consente di
trasformare direttamente la luce solare in energia elettrica,
sfruttando il cosiddetto effetto fotovoltaico.
Questo effetto si basa sulla proprietà che hanno alcuni
materiali semiconduttori opportunamente trattati
(fra cui il silicio, elemento molto diffusso in natura),
di generare direttamente energia elettrica quando
vengono colpiti dalla radiazione solare,
senza l'uso di alcun combustibile.
Il dispositivo più elementare capace di operare tale
conversione è la cella fotovoltaica che è in grado di
produrre circa 1/1,5 Watt di potenza quando è
investita da una radiazione di 1000 W/m2
(condizioni standard di irraggiamento).
CELLA SOLARE
Una cella solare, detta anche cella fotovoltaica, è un dispositivo
che converte l'energia luminosa in energia elettrica.
A volte il termine cella solare è usato per denominare dispositivi
che catturano l'energia solare, mentre il termine cella fotovoltaica
è usato quando la sorgente luminosa è di natura non specificata.
La cella solare, usata per produrre energia,
ha un'efficienza compresa tra il 13 e il 20%
Di solito le celle, costruite con materiale semiconduttore come il silicio,
che è largamente diffuso in questo campo, sono spesse 0,25 mm.
e hanno una forma quadrata di 125 x 125 mm.
FUNZIONAMENTO
Quando la cella è esposta alla luce, se vengono introdotte delle impurità
nella struttura cristallina del silicio, usato per la costruzione di celle solari,
si crea un campo elettrico che poi viene trasformato in energia.
Su quali principi fisici si basa il funzionamento
della cella fotovoltaica?
La conversione fotovoltaica è un
fenomeno fisico che permette di
trasformare direttamente l'energia
luminosa in energia elettrica in strutture
elementari, le celle fotovoltaiche.
Questi dispositivi sono realizzati in
materiali semiconduttori, materiali cioè
che conducono la corrente elettrica e
la cui resistività diminuisce al
crescere della temperatura
e per la presenza di impurità.
L'effetto fotovoltaico consiste nella
generazione di una differenza
di potenziale elettrico, grazie
all'integrazione di un flusso di
energia radiante con la materia.
Con l’esperienza di laboratorio,
studieremo la trasformazione di
Energia Luminosa (fotoni), in
Energia Elettrica.
Simulando l’effetto dei raggi
solari che colpiscono questi
materiali semiconduttori.
Proveremo ora a calcolare la potenza elettrica sviluppata (P) Watt
conoscendo l’intensità di corrente (I) Ampere
e la differenza di potenziale o tensione (V) Volt
Sapendo che:
P=L/t
La potenza è uguale al lavoro sul tempo
P=V*I
Ma anche al prodotto
della tensione per la corrente
V+
A
V-
R
I (Ampère)
V
MATERIALE UTILIZZATO:
Una cella fotovoltaica
Una lampada con braccio variabile
Cavi di connessione
Una resistenza
Un amperometro collegato in serie al circuito
Un voltmetro collegato ai capi della resistenza
Irraggiando con la lampada la cella fotovoltaica da una distanza
iniziale di 18 cm. Abbiamo, con ripetuti spostamenti del braccio,
rilevato tensioni e correnti secondo la seguente tabella:
d = distanza (cm.)
V = tensione (volt)
I = corrente (mA milliampere)
P = potenza (mW milliwatt)
18
13,5
12
162
23
13,5
12
162
28
10,5
9,3
97,65
33
7,3
6,5
47,45
38
5,4
4,8
25,92
43
4,0
3,5
14
48
3,2
2,8
8,96
53
2,5
2,2
5,5
58
2,1
1,9
3,99
63
1,8
1,6
2,88
GRAFICO DELLA POTENZA
I grafici seguenti rappresentano
in modo immediato i dati della
precedente tabella.
162
162
97,65
Possiamo osservare come
diminuisce la potenza resa
riducendo la quantità di fotoni.
47,45
25,92
14
5,5
3,99
2,88
1,9
1,6
GRAFICO DELLA CORRENTE
GRAFICO DELLA TENSIONE
13,5
8,96
12
13,5
12
9,3
10,5
6,5
7,3
4,8
5,4
4
3,5
3,2
2,5
2,8
2,1
1,8
2,2
Cenni teorici
Le celle nello schema generale sono costituite da due strati di
semiconduttore (solitamente composti a base di silicio)
in contatto fra loro: uno strato è di tipo n, o strato finestra (generalmente si
tratta di silicio drogato con fosforo), caratterizzato da una certa quantità di
cariche negative (elettroni) e uno strato è di tipo p, o strato assorbitore
(ottenuto drogando il silicio con boro), in cui si ha
un eccesso di cariche positive.
Alla giunzione, cioè nella zona di contatto tra i due strati,
si crea una barriera di potenziale.
Ciascun fotone, dotato di energia e = h*v ,
è in grado di liberare all'interno della giunzione
una coppia elettrone - lacuna che
contribuisce alla conduzione
elettrica del semiconduttore.
A causa della barriera di potenziale gli elettroni possono passare dallo
strato p a quello n, ma non è possibile il passaggio inverso: si crea così un
eccesso di elettroni
nello strato n.
Collegando un conduttore a ciascuno degli strati p e n e chiudendo il
circuito ci sarà circolazione di corrente grazie
al passaggio degli elettroni che si ricombinano con le lacune.
È importante che la radiazione solare penetri in entrambi gli strati n e p ed
è per questo motivo che il primo strato
è molto sottile rispetto al secondo.
FINE
