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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.
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