Lunedì, Dicembre 10, 2018

Prospettive Reali per un Utilizzo su Larga Scala dell’Energia Fotovoltaica

Principi di funzionamento di un modulo fotovoltaico

I moduli fotovoltaici basano il loro principio di funzionamento sull’effetto fotovoltaico, osservato per la prima volta nel 1838 da Alexandre Edmond Becquerel, ed interpretato nel 1905 da Albert Einstein (che per questo vinse il premio Nobel nel 1921). In buona sostanza, questo effetto porta alcune superfici solide irraggiate da quanti di luce (fotoni) a generare una corrente elettrica: questo accade perché i fotoni della radiazione elettromagnetica incidente possono cedere la propria energia agli elettroni delle bande di valenza e farli transitare nelle bande di conduzione del materiale.

 

 

 

 

 

 

 

Fig.4 – Illustrazione delle bande di conduzione nei vari materiali: nel metallo le due bande si sovrappongono, nel semiconduttore sono poco distanziate (circa 1 eV – elettron-volt) e nell’isolante sono molto distanziate (circa 6 eV)

Non tutta la radiazione incidente può però essere utilizzata, in quanto una sua porzione, in particolare nella zona dell’infrarosso, non ha energia sufficiente per liberare gli elettroni di valenza. Per contro, la parte di spettro a più elevata energia tende ad interagire con gli strati elettronici più interni degli atomi, senza dare contributi alla conduzione elettrica.

Fig.5 – Principio di funzionamento dell’effetto fotovoltaico [5]: un fotone incidente, cedendo la propria energia, può portare un elettrone dalla banda di valenza a quella di conduzione, ma per far questo deve possedere l’energia definita da un intervallo preciso

L’efficienza di una cella solare non può mai essere pari al 100%: la massima efficienza teorica di conversione di una cella solare che utilizzi una giunzione di silicio di tipo p-n, stando al limite di Shockley–Queisser, è pari al 33,7% (anche se in condizioni del tutto ideali e teoriche si potrebbero raggiungere limiti ben superiori – ma si tratta di pura teoria allo stato attuale).

L'energia necessaria per eseguire questo "salto quantico" come sopra scritto, deve necessariamente ricadere in un determinato intervallo per essere efficace e permettere il movimento dell’elettrone, e quindi la generazione di energia elettrica. Questo intervallo è preciso e ben definito per ogni materiale: nel silicio ad esempio, materiale di cui sono composti la maggioranza dei moduli, è pari a 1,1 eV (elettron-volt – unità di misura dell’energia, usata in ambito atomico e subatomico, pari all’energia che acquista un elettrone che si muova nel vuoto fra due punti fra i quali sussiste una differenza di potenziale di 1 volt). Tutti i fotoni in arrivo hanno diverse energie: nello spettro visibile si va da poco più di 1,5 eV per il rosso sino a poco meno di 3,5 eV per il violetto (Fig.6).

 

Figura 6 - Spettro solare e gap energetico dei fotoni

Ogni fotone ad energia inferiore a 1,1 eV (nell’infrarosso) non può far muovere l’elettrone e genera solo calore, mentre tutti quelli che hanno energia pari o superiore a quel valore, una volta ceduto il fatidico 1,1 eV, convertono l'energia in calore non andando ad influenzare minimamente il numero di elettroni che conducono energia, bensì facendoli diminuire.

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