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Sintesi

Il prodotto multimediale affronta gli aspetti fondamentali del funzionamento e dell'utilizzo dell'energia fotovoltaica. In particolare descrive il funzionamento della cella fotovoltaica, dei pannelli, degli impianti tipo e affronta l'aspetto economico re.

Materie trattate: Fisica, Chimica, Informatica ecc.

Estratto del documento

Introduzione 3

Perché puntare all’utilizzo dell’energia solare

• Il sole è una fonte di energia inesauribile, almeno per le nostre prospettive temporali;

• Il sole è l’unica fonte di energia “esterna” rispetto alle risorse disponibili sul nostro

pianeta;

• L’energia solare è distribuita in maniera molto più uniforme sul pianeta rispetto a tutte

le altre attuali fonti energetiche;

• L’energia solare che investe la Terra è circa 15.000 volte superiore al fabbisogno

energetico mondiale.

Esempio:

L’energia solare che investe in un anno una superficie di poco meno

di 2 metri quadrati di suolo (Italia Centrale) equivale ai consumi

elettrici annuali di una famiglia media (circa 3.000 kWh).

Introduzione 4

Cos'è un impianto fotovoltaico ?

E' un impianto per la produzione di energia elettrica.

La tecnologia fotovoltaica permette di trasformare direttamente l'energia solare incidente

sulla superficie terrestre in energia elettrica, sfruttando le proprietà del silicio, un elemento

semiconduttore molto usato in tutti i dispositivi elettronici.

I principali vantaggi degli impianti fotovoltaici sono:

• Assenza di qualsiasi tipo di emissione inquinante;

• Risparmio dei combustibili fossili;

• Estrema affidabilità, non esistono parti in movimento (vita utile superiore a 25 anni)

• Costi di manutenzione ridotti al minimo;

• Modularità del sistema (per aumentare la taglia basta aumentare il numero dei moduli).

Gli svantaggi sono rappresentati da:

• Variabilità della fonte energetica (irraggiamento solare).

Effetto fotovoltaico (cenni storici) 5

L'effetto fotovoltaico è noto fin dal 1839, dalle esperienze del fisico

francese Edmond Becquerel (1820-1891) che presentò alla

Accademia delle Scienze di Parigi la sua “Memoria sugli effetti

elettrici prodotti sotto l'influenza dei raggi solari”.

La scoperta avvenne casualmente mentre effettuava delle

esperienze su una cella elettrolitica in cui erano immersi due elettrodi

di platino.

Studi successivi condotti intorno al 1876 da Smith, Adams e Day,

portarono alla realizzazione della prima cella fotovoltaica costituita

dalla giunzione del selenio (semiconduttore) con alcuni ossidi

metallici.

Si deve aspettare fino al 1954 per avere la prima cella solare commerciale in silicio

realizzata da Person, Fuller e Chapin all'interno dei laboratori Bell.

I costi iniziali di questa nuova tecnologia erano ingenti e ne restrinsero il campo d'azione a

casi particolari, come l'alimentazione di satelliti artificiali.

Le sperimentazioni vennero quindi portate avanti per tale scopo e solo verso la metà degli

anni settanta si iniziò a rivolgere l'attenzione verso utilizzi "terrestri".

Conduzione elettrica nei materiali 6

Classicamente dal punto di vista elettrico i materiali si suddividono in: conduttori e isolanti.

 ) ], che lega la

Sono caratterizzati dal parametro chiamato: resistenza elettrica [ Ohm (

tensione applicata e la corrente che scorre all’interno del materiale attraverso la :

V = R I

Legge di OHM *

Conduttore Isolante

V

V +

+

R R

molto piccolo molto elevato

La resistenza elettrica dipende in generale solo dalle caratteristiche fisiche del materiale e

dalle sue dimensioni.

Esistono però materiali che si comportano in modo anomalo : i semiconduttori.

Struttura elettronica dei semiconduttori 7

In un solido cristallino, i livelli energetici che possono assumere gli elettroni periferici sono

raggruppati in bande di energia.

The picture can't be display ed.

Solo in certe bande è possibile trovare elettroni:

The picture can't be display ed.

• la “banda di valenza”, caratterizzata dai livelli energetici che gli elettroni assumono

nell’orbita più esterna degli atomi che formano il solido (elettroni di valenza);

• la “banda di conduzione” che raggruppa i livelli energetici della cosiddetta nube

elettronica responsabile del fenomeno della conduzione.

Tra queste due bande vi è una regione, detta “banda proibita”, in cui non vi sono livelli

energetici permessi agli elettroni.

La larghezza della banda proibita, detta energy gap, è una caratteristica molto importante

del semiconduttore.

La distribuzione degli elettroni fra le varie bande di energia consentita determina le

caratteristiche elettriche dei materiali.

Teoria delle bande di energia 8

Isolante Semiconduttore

Conduttore

E Banda di

conduzione

Energy gap

Energy gap Banda di

valenza

In un conduttore non esiste energy gap Gli elettroni si muovono liberamente.

tra la banda di valenza e quella di

conduzione.

In un isolante l’energy gap esiste e il Gli elettroni rimangono nella banda di

suo valore è molto alto (4 ÷ 5 eV). valenza e non sono liberi.

Se agli elettroni viene fornita energia

In un semiconduttore l’energy gap sufficiente, possono “saltare” nella

esiste, ma il suo valore è relativamente banda di conduzione.

basso (1 ÷ 1,5 eV).

Silicio 9

Il semiconduttore più usato è il silicio che ha una banda proibita di 1,12 eV.

E’ possibile, dunque, che un elettrone di valenza, ricevuta un’opportuna quantità di energia,

(es.: aumento della temperatura) salti con una certa facilità al livello energetico superiore,

dove è poi libero di muoversi sotto l’azione di un eventuale campo elettrico applicato.

La lacuna lasciata nella banda di valenza dall’elettrone passato alla banda di conduzione può

essere considerata a tutti gli effetti una carica positiva, potendo anch’essa muoversi

liberamente in presenza di un campo elettrico.

Nei semiconduttori, dunque, partecipano al fenomeno della conduzione

elettrica sia gli elettroni nella banda di conduzione, sia le lacune nella banda

di valenza. Nei semiconduttori intrinseci, cioè assolutamente

Si Si Si puri, gli elettroni e le lacune di conduzione si

Legame covalente formano solo a causa della rottura dei legami.

Si

Si Si L’energia richiesta per rompere un legame

corrisponde alla larghezza della banda proibita o

energy gap.

Si Si Si

Drogaggio di semiconduttori 10

Aggiungendo al cristallo di silicio delle impurità, si può rendere il semiconduttore ricco di elettroni nella

banda di conduzione o di lacune nella banda di valenza.

In questo caso si parla rispettivamente di semiconduttori estrinseci di tipo “n” e di tipo “p” e la conduzione

è dovuta alla presenza delle impurità.

Prendiamo in considerazione cristalli di silicio drogati con materiali quali fosforo e boro:

Si Si Si

n p

Si Si Si

tipo tipo

Elettrone libero Lacuna

P

Si Si B

Si Si

Atomo di Fosforo Atomo di Boro

Si Si Si Si Si Si

Il fosforo appartiene al quinto gruppo, inserito nel reticolo cristallino, apporta un elettrone in più

(atomi donatori ), mentre il boro, che appartiene al terzo gruppo, presenta un elettrone in

meno (atomi accettori ).

Nel primo caso, silicio drogato con fosforo, l’energia di ionizzazione del fosforo nel silicio è molto

più piccola (0,05 eV) dell’energia da fornire al silicio per permettere ad un elettrone di passare

nella banda di conduzione superando la banda proibita. Analoghe considerazioni si possono

fare per il semiconduttore drogato con boro.

Giunzione P-N 11

Si-p Si-n Supponiamo di mettere a contatto due blocchetti

- - - - - - - - - - -

+ + + + + + + + + + di silicio, uno drogato di tipo p e uno drogato di

- - - - - - - - - - -

+ + + + + + + + + + tipo n.

- - - - - - - - - - -

+ + + + + + + + + + - - - - - - - - - - -

+ + + + + + + + + + A causa dell’elevato gradiente di concentrazione

- - - - - - - - - - -

+ + + + + + + + + + avremo una diffusione di

- - - - - - - - - - -

+ + + + + + + + + + - - - - - - - - - - -

+ + + + + + + + + + Lacune da Si-p a Si-n

ed

Elettroni da Si-n a Si-p

Si-n

Si-p questo provoca un addensamento di cariche di

- - - - - - - - - - -

+ + + + + + + + + + - - - - - - - - - - -

+ + + + + + + + + + segno opposto nel punto di contatto della

- - - - - - - - - - -

+ + + + + + + + + + giunzione:

- - - - - - - - - - -

+ + + + + + + + + + - - - - - - - - - - -

+ + + + + + + + + + zona di svuotamento

- - - - - - - - - - -

+ + + + + + + + + + - - - - - - - - - - -

+ + + + + + + + + + o

di carica spaziale

Giunzione P-N

Giunzione P-N all’equilibrio 12

I

deriva

deriva - +

E Zona quasi neutra

Zona quasi neutra - +

- - - - - - - - - - -

+ + + + + + + + + + La corrente di diffusione I origina un campo

diff

- - - - - - - - - - -

+ + + + + + + + + +

- elettrico E (barriera di potenziale V), che tende

+

- - - - - - - - - - -

+ + + + + + + + + + Si-n

Si-p ad opporsi al moto delle cariche.

- - - - - - - - - - -

+ + + + + + + + + +

- +

- - - - - - - - - - -

+ + + + + + + + + + Come conseguenza alla formazione del campo

- - - - - - - - - - -

+ + + + + + + + + +

- +

- - - - - - - - - - -

+ + + + + + + + + + elettrico si viene a creare una corrente di

I

deriva

Zona di svuotamento deriva .

+ -

diffusione I Si raggiunge una condizione di equilibrio

diff dinamico quando le due correnti, quella di

E(x) - Campo elettrico

E(x) deriva e quella di diffusione si bilanciano:

I = I

diff deriva

V(x) - Barriera di potenziale

V(x) V

Diodo 13

Proviamo ora a polarizzare la giunzione

V V

+

+

The picture can't be display ed. Si-p

Si-p Si-n

Si-n POLARIZZAZIONE DIRETTA

POLARIZZAZIONE INVERSA Polarizziamo ora il materiale con il positivo

Porremo il terminale negativo di un del generatore sul materiale P ed il

generatore di tensione sull'estremità del negativo su quello N, la differenza di

materiale P e il positivo sull'estremità del potenziale introdotta dal generatore

materiale N, lo squilibrio elettrico tra zona P esterno annulla progressivamente la

e zona N tende ad elevarsi con l'apporto di barriera di potenziale che si era creata

ulteriori cariche negative sulla zona P. nella zona di contatto della giunzione, ed il

In questa situazione non può circolare semiconduttore si comporta come un

nessuna corrente attraverso la giunzione. normale conduttore.

Abbiamo quindi ottenuto un particolare componente in grado di condurre corrente se

polarizzato direttamente e di non condurla se polarizzato invece inversamente. Esso prende il

nome di: DIODO A SEMICONDUTTORE

Cella fotovoltaica 14

La conversione diretta dell’energia solare in energia elettrica è realizzata con la

cella fotovoltaica

Essa utilizza il fenomeno fisico dell’interazione della radiazione luminosa con gli elettroni di valenza nei

materiali semiconduttori, denominato effetto fotovoltaico.

Tale effetto è tra i fenomeni che fanno pensare ad una natura corpuscolare della luce, infatti, è stato

scoperto che è proprio una particella associata alle onde elettromagnetiche, denominata fotone, a fornire

l’energia necessaria ad attivare il processo fotovoltaico.

Qualunque sia il semiconduttore impiegato, il meccanismo con cui la cella trasforma la luce solare in

energia elettrica è essenzialmente lo stesso. Griglia metallica di -

contatto frontale (-)

Rivestimento

trasparente

Strato

antiriflesso

Silicio di

tipo “N”

Silicio di tipo

“P” Contatto mettallico +

posteriore (+)

Cella fotovoltaica 15

I fotoni della luce solare, quando colpiscono la cella fotovoltaica, possono essere riflessi, assorbiti, o

attraversarla.

Un fotone assorbito produce calore oppure, se ha sufficiente energia, libera un elettrone dallo stato legato

spingendolo nella banda di conduzione. Fotoni

Per liberare una coppia elettrone-lacuna: _

E = h • f = h • c / > E

g Si-n

Dove: +

E = Energia fotone - V

-34

h = Costante di Plank (6,626 • 10 J s )

f = Frequenza onda elettromagnetica + -

Si-p

c = Velocità di propagazione

 = Lunghezza d’onda elettromagnetica

= Energy gap

E g Coppia elettrone-lacuna separata Coppia elettrone-lacuna I

+

dal campo elettrico di giunzione ricombinata

Le coppie elettrone-lacuna così prodotte, che ricadono sotto l’influenza del campo elettrico di giunzione,

vengono spinte in direzioni opposte (l’elettrone, nella banda di conduzione, verso la zona N; la lacuna,

nella banda di valenza, verso la zona P), dando origine a un flusso elettronico unidirezionale che, in

caso di connessione con conduttori all’interno di un circuito chiuso, si traduce in corrente elettrica.

Cella fotovoltaica 16

Una cella fotovoltaica è sostanzialmente un diodo di grande superficie

Esponendola alla radiazione solare, la cella si comporta come un generatore di corrente il cui

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