FISICA AMBIENTALE 1
Lezioni 13-14
Energia solare fotovoltaica
Rappresentazione bidimensionale di un cristallo di silicio
Donor
impurity
(free
electron)
acceptor
impurity
(missing
electron)
CELLE FOTOVOLTAICHE
Dispositivi di materiale
semiconduttore (Si) in
cui avviene la diretta
conversione di fotoni
in energia elettrica
n
++++++++++
-------------p
-V+
+
-
charge
density
he
he
I d= + I 0
IF= - I0
diffusion
current
field
current
Giunzione in assenza di luce. La diffusione causa distribuzione
di cariche, ma all’equilibrio Id e IF si bilanciano.
Per V = 0  ID= 0
Il circuito rappresenta la corrente IS dell’effetto
fotovoltaico e la corrente di diodo ID.
Diagramma IV per una cella solare, con parametri realistici per il Si:
I0 = 5.9 x 10-8 A m-2 ; IS = 520 A m-2 ; KT = 0.025 eV s
insolazione
corrente
di diodo
Voltaggio V per cui I = 0
EFFICIENZA
DI UNA CELLA
SOLARE
=
Potenza emessa (W m-2 )
Radiazione entrante (W m-2 )
SPETTRO DI EMISSIONE SOLARE
Radiazione
emessa
(108 W m-2 m-1)
Lunghezza
d’onda 
E<Eg
E>Eg
(Si)
E<Eg:
23% dei fotoni non
contribuiscono
all’efficienza
E>Eg:
solo Eg = 1.12 eV è
convertita in potenza
elettrica. (E>Eg) è persa
come calore nel
semiconduttore.
44% : energia utile; è un lim sup per 
Per materiali con Eg maggiori l’energia utile diminuisce.
Abbiamo gli elementi per una stima realistica di
:
Energia media di 1 fotone
Il 77% dell’energia di questi fotoni
produce effetto fotovoltaico
Con I0 = 5.9 x 10-8 A m-2 e KT = 0.025 eV
IS=520 A m-2
V0C=0.57 V <Eg
P 240 W m-2

 24%
THE GRÄTZEL CELL: dye sensitized photovoltaic cell
TiO2
4
1
h è assorbito da un
pigmento RuL2(SCN)2:
t = 10-15s
2
Un e- viene estratto e passa alla
banda di conduzione del TiO2:
t = 10-12s
1
3
2
3
4
Riduzione del pigmento ossidato
t = 10-9s
La coppia redox è ridotta.
t = 10-3s
Connettendo i due elettrodi
si estrae lavoro.
Rappresentazione schematica dello strato poroso
di nanoparticelle di TiO2 e pigmenti attaccate alla
superficie dell’elettrodo conduttore.
substrato
TiO2/ pigmenti
redox
couple
TiO2
e-
+
h
pochi m