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Cella fotovoltaica

Le celle fotovoltaiche sono state inventate nel 1954, quando per la prima volta è stata effettuata nella pratica la conversione della luce in energia elettrica usando una cella solare al silicio.

Se all'inizio le celle solari erano in realtà poco più di un giocattolo, a partire dal dal 1958 sono state ampiamente utilizzate come fonte di energia elettrica sui satelliti, sulle sonde e sulle stazioni spaziali inviate dall'uomo nello spazio, e oggi le possiamo trovare in numerosi oggetti anche di uso quotidiano. Una cella solare produce una corrente continua (DC) che successivamente viene trasformata in corrente alternata (AC) con l'ausilio di un inverter - e può essere utilizzata direttamente oppure accumulata in una pila ricaricabile o in una batteria come quelle per automobili.

 

La struttura e il funzionamento di una cella solare.

Il funzionamento dei dispositivi fotovoltaici si basa sulla capacità di alcuni materiali semiconduttori, opportunamente trattati, di convertire l’energia della radiazione solare in energia elettrica in corrente continua.

Uno di questi elementi è il SILICIO, che compone la cella fotovoltaica. Più celle unite tra loro formano i pannelli fotovoltaici studiati per convertire l’energia elettromagnetica (quella che comunemente chiamiamo “luce”) in energia elettrica, sfruttando le caratteristiche chimico e fisiche del materiale siliceo di cui sono composti. Il silicio puro è un semiconduttore e possiede 4 elettroni di valenza (cioè appartenenti al guscio esterno dell'atomo, e in grado di legarsi con altri atomi) legati con gli elettroni di valenza di altri atomi di silicio. 
Il silicio viene "drogato", cosicché si generino lacune ed elettroni liberi di muoversi in modo ordinato.

Esistono due tipi di drogaggio:

 

Gruppo 3: silicio di tipo p –>caricato positivamente (boro)

 

 

Gruppo 5: silicio di tipo n –> caricato negativamente (fosforo)

 

 

Quando uno strato di silicio "drogato" con atomi di boro che hanno meno elettroni di valenza (strato detto quindi "giunzione p", o positiva) viene accoppiato con uno strato drogato con atomi di fosforo che hanno invece più elettroni di valenza (e chiamato giunzione n), si crea una coppia di cariche elettriche di segno opposto, un “elettrone” (cioè una carica di segno negativo) ed una “lacuna” (carica positiva).

Si genera quindi un campo elettrico, che spinge gli elettroni, dagli atomi con elettroni in più, verso gli atomi con elettroni in meno. Per cui si crea una "corrente elettrica", che per definizione non è altro che un flusso di elettroni. La differenza di potenziale che si viene a creare è proprio dovuta alla presenza di fosforo e boro (agenti droganti) che modificano profondamente le proprietà elettriche del semiconduttore. La corrente è tanto maggiore quanto maggiore è la quantità di luce incidente.

Ai fini del funzionamento delle celle, i fotoni di cui è composta la luce solare non sono tutti equivalenti: per poter essere assorbiti e partecipare al processo di conversione, un fotone deve possedere un’energia (hv) superiore a un certo valore minimo, che dipende dal materiale di cui è costituita la cella (Eg). In caso contrario, il fotone non riesce ad innescare il processo di conversione.

Quando la luce colpisce una cella fotovoltaica, molti elettroni di valenza si staccano dal legame con altri atomi di silicio e passano a un livello energetico superiore si assiste alla produzione di una corrente.

 

 

Le celle solari non si basano sull'effetto fotoelettrico osservato per la prima volta da Antoine C. Bequerel e da suo figlio Alexandre nel 1839, bensì sull'effetto fotovoltaico.

 

Qual è la differenza fra i due effetti?

Entrambi esprimono l'emissione di elettroni da parte di una superficie esposta a una radiazione elettromagnetica, come ad es. la luce visibile, a seguito del suo assorbimento da parte del materiale, ma mentre l'effetto fotoelettrico si ha fra due elettrodi fra cui esiste già una differenza di potenziale (così, quando un fotone di luce di sufficiente energia colpisce un elettrodo, un elettrone viene espulso dal guscio esterno di un atomo e può muoversi verso l'altro elettrodo generando una corrente), l'effetto fotovoltaico provoca la creazione di una differenza di potenziale fra due elettrodi che, invece, non ce l'hanno già.

 

Secondo la teoria di Einstein dell'effetto fotoelettrico, il "fotone" può strappare un elettrone a un metallo (che in tal caso chiameremo fotoelettrone) se la sua energia - cioè la frequenza della radiazione elettromagnetica associata - è abbastanza grande da superare la "funzione di lavoro" del metallo (frequenza di soglia). Se l'energia, ovvero la frequenza della radiazione, è troppo bassa, non si creano fotoelettroni. Se comunque l'energia è superiore alla soglia citata, l'energia in eccesso si trasforma in energia cinetica del fotoelettrone.

Dunque, la teoria indica che: una luce di bassa frequenza, inferiore cioè a una soglia ben precisa, è incapace di strappare elettroni a un metallo, e perciò non produce fotoelettroni; raddoppiare l'intensità della luce raddoppia il numero di fotoni, e quindi di fotoelettroni creati, ma non cambia l'energia cinetica raggiunta da questi ultimi. 

 

Lo schema illustra come avviene l'effetto fotoelettrico                                                                               

 

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