L’effetto Fotovoltaico
Carla sanna
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Cagliari 19 settembre 2008 - Sala Anfiteatro, via Roma 253
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Un po’ di storia….
Becquerel nel 1839 osservò per la prima volta l’effetto
fotovoltaico mentre effettuava degli esperimenti con delle
celle elettrolitiche con elettrodi in platino
A seconda dei materiali che costituivano gli elettrodi in seguito
all’esposizione degli stessi alla radiazione solare si osservava
un aumento della corrente.
1905:
Einstein teorizza
scientificamente
l’effetto
fotoelettrico che gli vale il
premio nobel del 1921
1876: Gli studi sull’effetto fotovoltaico
proseguono con Smith, Adams e Day
1954:Viene realizzata la prima cella FV sperimenta
nei Bell Labs da Chapin, Fuller, Person.
1963:Inizia la commercializzazione dei primi Moduli FV.
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Photovoltaic
photo = luce
volt = tensione
L’energia luminosa genera una
differenza di potenziale (tensione)
che può essere usata per
generare corrente elettrica
Grazie all’effetto fotovoltaico la luce del sole viene sfruttata per produrre energia
elettrica utilizzabile
Conversione diretta di energia solare
in energia elettrica
si sfrutta l’interazione della radiazione
luminosa con gli elettroni di valenza di una
particolare classe di materiali
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Effetto fotoelettrico:
emissione di cariche negative
da una superficie, solitamente
metallica, quando questa viene
colpita da una radiazione
luminosa).
Energia dei fotoni
incidenti
Ecin
E = hν
Energia cinetica
degli elettroni fotoemessi
Ecin= hν-W0 > 0
Effetto di soglia: si ha effetto fotoelettrico solo se
la frequenza della radiazione luminosa incidente
è superiore al valore della soglia fotoelettronica
hν > W0
W0
lavoro di estrazione
del materiale
H
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Energia del fotone minore del lavoro di estrazione
No effetto fotoelettrico
Energia del fotone minore del lavoro di estrazione
effetto fotoelettrico
La caratteristica importante dell’effetto fotoelettrico è di dipendere dalla frequenza della
radiazione, che determina l’energia del fotone, e non dall’intensità della luce.
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Caratteristica I_V di una cella FV
La Conversione Fotovoltaica
La conversione diretta dell’energia solare in energia elettrica, utilizza il fenomeno fisico
dell’interazione della radiazione luminosa con gli elettroni di valenza nei materiali
semiconduttori, denominato Effetto Fotovoltaico
L’effetto fotovoltaico non è altro che un effetto fotoelettrico interno
Le cariche elettriche che vengono liberato
rimangono all’interno del materiale e possono
contribuire alla conduzione
Nell’effetto fotovoltaico vengono create coppie elettrone-buca,
ovvero portatori di carica negativi e positivi all’interno del
semiconduttore che opportunamente incanalati
portano alla conduzione elettrica.
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Comportamento elettrico dei materiali:
comportamento degli elettroni degli atomi che costituiscono il materiale
isolanti
Gli elettroni non si possono muovere
Non c’è conduzione elettrica
semiconduttori
Hanno proprietà intermedie tra
quelle degli isolanti e quelle dei conduttori
conduttori
Gli elettroni sono mobili
C’è conduzione elettrica
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Formazione delle bande di energia
Atomo isolato
Es: Si che ha
14 elettroni
∞
Livelli energetici
degli elettroni
E
Livelli energetici
degli elettroni
E
D
D
Distanza fra gli atomi
∞
Livelli energetici
non occupati
E
Banda proibita (GAP)
Livelli energetici
occupati
Bande di energia
Distanza fra gli atomi
d
d
Distanza fra gli atomi
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Formazione delle bande di energia
Esistono tre tipologie di bande di energia entro le quali si possono posizionare gli elettroni:
Banda di valenza
Banda di conduzione
Banda proibita ( GAP)
E
E
BC
GAP ampio
4- 7 eV
GAP piccolo
~ eV
BC
Sovrapposizione della banda di
Conduzione e della banda di valenza
Banda di valenza e di conduzione
Separate da un grande GAP
Banda di valenza e di conduzione
separate da un piccolo GAP
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E
GAP piccolo
~ eV
Fornendo al materiale semiconduttore
una quantità di energia superiore al gap
gli elettroni hanno la possibilità dii
passare dalla banda di valenza ( BV) alla
banda di conduzione (BC) contribuire
dunque alla conducibilità elettrica.
Banda di valenza e di conduzione
separate da un piccolo GAP
Elettroni di valenza
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semiconduttori
Fornendo al materiale semiconduttore
una quantità di energia superiore al gap
di energia, gli elettroni hanno la possibilità di
passare dalla banda di valenza ( BV) alla
banda di conduzione (BC) e contribuire
dunque alla conducibilità elettrica.
E
GAP piccolo
∆ ~ eV
hν >∆
Per ogni elettrone che passa dalla
banda di valenza alla banda di
conduzione una buca ( mancanza di
elettrone) si forma in banda di
valenza
Banda di valenza e di conduzione
separate da un piccolo GAP
Nel semiconduttore la conduzione è dovuta dunque
a due tipi di portatori di carica:
Elettroni ( cariche negative)
Buche o lacuna ( cariche positive)
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semiconduttori
Non tutta la radiazione è in grado di produrre coppie elettrone -buca
Banda di
conduzione
Es:
Silicio GAP : ∆ =1.12 eV
quindi l’energia del fotone ε = hν
deve essere > del GAP ∆
L’energia del fotone ε si può esprimere in funzione delle
Lunghezza d’onda della radiazione incidente:
Banda di
valenza
ε =
c
λ
∆ =1.12 eV
h
ε>∆
Serve dell’energia
perché un elettrone
possa passare dalla
banda di valenza alla
banda di conduzione
λmax
hc (6.6 × 10 −34 Joule ⋅ sec) × (3 ×108 m / sec)
=
=
∆
(1.12) × (1.6 ×10 −19 Joule)
λmax ≅ 1.11×10 −6 m = 1.11µm
L’energia deve essere
superiore al valore
del GAP di energia
della banda proibita
lma
c = 3 x 108 m/s
1 eV = 1.60217646 × 10-19 joule
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Per il silicio
λmax ≅ 1.11× 10 −6 m = 1.11µm
Radiazione di lunghezza d’onda maggiori
non producono effetto fotovoltaico
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Cos’è il drogaggio di un semiconduttore?
Per migliorare il comportamento elettrico di un semiconduttore si effettua
Il drogaggio dello stesso
Es: Silicio puro ( tetravalente)
Ogni atomo ha 4 elettroni di valenza
Che si legano covalentemente ad altri 4 atomi
Drogato n: atomo pentavalente
in matrice tetravalente
Drogatop: atomo trivalente
in matrice tetravalente
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La giunzione p-n
Cristallo semiconduttore costituito da due strati di semiconduttore
che abbiano rispettivamente un eccesso di cariche negative ( strato n)
e un eccesso di cariche positive ( strato p)
Giunzione p-n
Semiconduttore drogato n
Semiconduttore drogato p
Strato p
Strato n
-
-
-
+
-
+
+
+
+
+
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La giunzione p-n
Cristallo semiconduttore costituito da due strati di semiconduttore
che abbiano rispettivamente un eccesso di cariche negative ( strato n)
e un eccesso di cariche positive ( strato p)
Giunzione p-n
Strato n
+
+
+
+
+
+
-
Strato p
Le cariche ++ in eccesso migrano dallo strato p allo strato n
Le cariche +
- in eccesso migrano dallo strato n allo strato p
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La giunzione p-n
Cristallo semiconduttore costituito da due strati di semiconduttore
che abbiano rispettivamente un eccesso di cariche negative ( strato n)
e un eccesso di cariche positive ( strato p)
Giunzione p-n
Strato n
+
+
+
+
+
+
-
Strato p
La migrazione continua sino a che non si raggiunge una situazione di
equilibrio e in corrispondenza della giunzione si genera un campo elettrico
E che si oppone al passaggio di ulteriori portatori carica attraverso la giunzione
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La giunzione p-n
Illuminando la giunzione p-n, si formano delle coppie
elettrone buca, che a causa del campo elettrico
vengono separate.
n
+
+
+
+
+
+
+
E
- p
-
- - -
-
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Schema di una cella solare
Elettroni
liberi
Banda di conduzione
(stati eccitati)
Radiazione luminosa
Fotoni
+
Banda di valenza
(stato fondamentale)
Elettroni
di valenza
Carico esterno
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Caratteristica I_V di una cella FV
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Caratteristica I_V di una cella FV
Caratteristica I-V di una Cella Solare
Punto di massima
potenza Pm= Vm⋅ Im
I [A]
1.00
0.75
Isc
Condizioni di
funzionamento
Ottimale della cella
Im
0.50
0.25
Voc
0.00
0.00
0.20
0.40
Vm
0.60
V [V]
Isc →CORRENTE DI CORTOCIRCUITO (V=0)
Voc→TENSIONE A VUOTO (I=0)
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Caratteristica I-V di una Cella Solare ed andamento della Potenza
I [A]
P [W]
Punto di massima
potenza Pm= Vm⋅ Im
1.00
Im
0.40
0.75
0.30
0.50
0.20
0.25
0.10
Andamento della
potenza P= V⋅ I
0.00
0.00
0.20
0.00
0.40
Vm
0.60
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V [V]
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Caratteristica I_V di una cella FV
Variazione della caratteristica I-V al variare della temperatura
di lavoro della cella
1.00
0.75
CORRENTE DI
CORTOCIRCUITO ICC (V=0)
-40°C
-20°C
0°C
0.50
0.25
20°C
TENSIONE A VUOTO
V0 (I=0)
40°C
60°C
0.00
0.00
0.20
0.53 0.57 0.60 0.64 0.68 0.72
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V [V]
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Caratteristica I_V di una cella FV
Caratteristica Elettrica (I-V) in funzione della Radiazione Solare
I [A]
3.5
1000 W/m2
900 W/m2
800 W/m2
700 W/m2
600 W/m2
500 W/m2
3.0
2.5
2.0
1.5
Caratteristica I-V di un modulo
commerciale da 50Wp a 40°
1.0
0.5
0.0
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
14.0
16.0
18.0
20.0
22.0
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V [V]
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Caratteristica I_V di una cella FV
Grazie per l’attenzione
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