La tecnologia fotovoltaica consente di trasformare
direttamente la luce solare in energia elettrica
senza necessità di meccanismi in movimento.
Sfrutta le proprietà dei semiconduttori
I SEMICONDUTTORI
Sono costituiti dagli elementi del
4°gruppo come carbonio,silicio e
germanio i quali presentano un
comportamento intermedio tra i
conduttori e gli isolanti. Nei
semiconduttori a bassa
temperatura non vi sono elettroni
di conduzione perché i legami tra
gli atomi sono tutti
covalenti;tuttavia quando la
temperatura aumenta,con le
oscillazioni dovute all’agitazione
termica,alcuni elettroni riescono a
raggiungere la quantità di energia
sufficiente per superare la barriera
di potenziale del livello energetico
in cui si trovano e si staccano così
dal nucleo diventando elettroni di
conduzione.
DROGAGGIO
• La conducibilità aumenta
notevolmente se si
introducono delle
<<impurezze>>, ovvero
tracce di altri elementi ,
come il fosforo ,
pentavalente, o di boro,
trivalente.
• Nel primo caso
aumentano gli elettroni
liberi ( tipo n), nel
secondo le lacune (tipo p)
• Una giunzione p-n si costruisce mettendo in stretto contatto due
semiconduttori uno drogato p e l'altro n.
• Dal punto di vista dei portatori di carica il semiconduttore di tipo p ha
prevalentemente lacune, mentre quello di tipo n ha elettroni. Per la
presenza di portatori di carica liberi da entrambi i lati dell'interfaccia,
si innesca un processo di diffusione per cui gli elettroni si spostano
dal lato n al lato p, e le lacune in senso opposto, finché non si
raggiunge una nuova situazione di equilibrio
• L'effetto fotovoltaico consiste
nella generazione di una forza
elettromotrice conseguente
all'assorbimento di radiazione
da parte di un dispositivo a
semiconduttore basato su una
“giunzione p—n”; la giunzione
ha il ruolo di separare le
cariche elettriche positive e
negative generate nel
materiale dalla radiazione
assorbita. Di conseguenza si
genera, ai lati opposti della
giunzione, una differenza di
potenziale elettrico che può
essere sfruttata per ottenere
una corrente continua
IL SILICIO
Dopo l’ossigeno, il silicio, è
l’elemento più diffuso
sulla crosta terrestre
(28%). Allo stato puro ha
struttura cristallina simile
a quella del diamante.
Tutte le moderne
tecnologie dei computer
sono possibili grazie al
silicio elettronico
• I microchips, le schede integrate, i microcircuiti sono tutti
realizzati con silicio elettronico. Per ottenere il silicio si
parte da sabbia di rocce silicee e quarzose. Attraverso
processi di riduzione, la silice, in fase di fusione perde
atomi di carbonio che vengono assimilati da sostanze
riducenti (sodio, carbone). Dopo varie fasi di
fusione/cristallizzazione si ottiene silicio metallurgico,
usato per le cellule FV, che è un prodotto di scarto del
silicio elettronico perché meno puro. Il silicio utilizzato
per le celle fotovoltaiche può essere: policristallino,
monocristallino e amorfo (cioè che non ha struttura
cristallina).
• Il silicio metallurgico fuso in lingotti (diametro 10-15 cm)
viene affettato in sezioni di 0,25-0,35 mm di spessore
• Gli atomi di Si hanno quattro elettroni di valenza, ciascuno dei quali
è legato in modo covalente a uno dei quattro atomi adiacenti di Si.
Se un atomo con cinque elettroni di valenza, come fosforo (P), è
incorporato nel reticolo cristallino al posto di un atomo di Si, allora
quell'atomo avrà quattro legami covalenti e un elettrone senza
legami. Questo elettrone aggiuntivo è solo debolmente legato
all'atomo e può essere facilmente portato nella banda di conduzione
.
• Se invece si introduce un atomo trivalente, come il boro, sostituisce
un atomo di Si nel reticolo cristallino, manca un elettrone da uno
dei possibili quattro legami covalenti. In tal modo l'atomo può
accettare un elettrone dalla banda di valenza per completare il
quarto legame, questo genera la formazione di una lacuna
.
La cellula FV è costituita da due strati di
silicio “drogato” postile due facce delle
sezioni ricavate dai lingotti. La
differenza di potenziale si ottiene
attraverso la diffusione controllata,
nei forni, di atomi di fosforo e di atomi
di boro sui due strati opposti della
cellula. I primi creano carenza di
elettroni, quindi, i secondi creano
esubero di elettroni. Dal primo si ottiene
silicio tipo “p”, dall’altro silicio tipo “n”.
Nella giunzione tra i due strati, per
effetto del bombardamento di fotoni
(esposizione alla luce solare), le
cariche elettriche tendono a separarsi
creando la circolazione di corrente
elettrica tra le due facce della cellula, ossia, i due poli (negativo e positivo)
della cella. Ovvero tra il contatto elettrico inferiore, ottenuto per serigrafia di
una pasta d’argento, e il contatto elettrico superiore, costituito da una griglia
frontale.
La cellula fotovoltaica è la giunzione di due sottili materiali semiconduttori
(silicio tipo “p” e silicio di tipo “n”). Quando un raggio di luce colpisce la cellula
le cariche positive si separano da quelle negative creando una differenza di
potenziale. Tra i due semiconduttori si genera una piccola corrente elettrica.
Una cellula ha una superficie di 100 mmq, alle condizioni di normale
insolazione (25 °C – 1 kW/mq) produce corrente elettrica di 3 Ampere di
intensità, 0,5 Volt di tensione e 1,5 Watt di potenza. Il silicio è praticamente
una “macchina” che produce energia ma, come tutte le macchine, ha delle
perdite di efficienza. I moderni motori a scoppio arrivano al 27%, le centrali
elettriche arrivano al 50%. Così il silicio policristallino ha rendimenti bassi pari
al 12-14%, il monocristallino ha rendimento del 18% e il silicio amorfo ha
efficienza di conversione (7%) ancora più bassa del policristallino, costa
meno ma ha un tempo di vita di 10 anni mentre, un modulo policristallino, ha
garanzia di vita per 25-30 anni.