il fotovoltaico
La tecnologia fotovoltaica consente di trasformare direttamente la luce solare in energia elettrica senza necessità di meccanismi in movimento. Sfrutta le proprietà dei semiconduttori
I SEMICONDUTTORI Sono costituiti dagli elementi del 4°gruppo come carbonio,silicio e germanio i quali presentano un comportamento intermedio tra i conduttori e gli isolanti. Nei semiconduttori a bassa temperatura non vi sono elettroni di conduzione perché i legami tra gli atomi sono tutti covalenti;tuttavia quando la temperatura aumenta,con le oscillazioni dovute all’agitazione termica,alcuni elettroni riescono a raggiungere la quantità di energia sufficiente per superare la barriera di potenziale del livello energetico in cui si trovano e si staccano così dal nucleo diventando elettroni di conduzione.
DROGAGGIO La conducibilità aumenta notevolmente se si introducono delle <<impurezze>>, ovvero tracce di altri elementi , come il fosforo , pentavalente, o di boro, trivalente. Nel primo caso aumentano gli elettroni liberi ( tipo n), nel secondo le lacune (tipo p)
Una giunzione p-n si costruisce mettendo in stretto contatto due semiconduttori uno drogato p e l'altro n. Dal punto di vista dei portatori di carica il semiconduttore di tipo p ha prevalentemente lacune, mentre quello di tipo n ha elettroni. Per la presenza di portatori di carica liberi da entrambi i lati dell'interfaccia, si innesca un processo di diffusione per cui gli elettroni si spostano dal lato n al lato p, e le lacune in senso opposto, finché non si raggiunge una nuova situazione di equilibrio
L'effetto fotovoltaico consiste nella generazione di una forza elettromotrice conseguente all'assorbimento di radiazione da parte di un dispositivo a semiconduttore basato su una “giunzione p—n”; la giunzione ha il ruolo di separare le cariche elettriche positive e negative generate nel materiale dalla radiazione assorbita. Di conseguenza si genera, ai lati opposti della giunzione, una differenza di potenziale elettrico che può essere sfruttata per ottenere una corrente continua
IL SILICIO Dopo l’ossigeno, il silicio, è l’elemento più diffuso sulla crosta terrestre (28%). Allo stato puro ha struttura cristallina simile a quella del diamante. Tutte le moderne tecnologie dei computer sono possibili grazie al silicio elettronico
I microchips, le schede integrate, i microcircuiti sono tutti realizzati con silicio elettronico. Per ottenere il silicio si parte da sabbia di rocce silicee e quarzose. Attraverso processi di riduzione, la silice, in fase di fusione perde atomi di carbonio che vengono assimilati da sostanze riducenti (sodio, carbone). Dopo varie fasi di fusione/cristallizzazione si ottiene silicio metallurgico, usato per le cellule FV, che è un prodotto di scarto del silicio elettronico perché meno puro. Il silicio utilizzato per le celle fotovoltaiche può essere: policristallino, monocristallino e amorfo (cioè che non ha struttura cristallina). Il silicio metallurgico fuso in lingotti (diametro 10-15 cm) viene affettato in sezioni di 0,25-0,35 mm di spessore
Gli atomi di Si hanno quattro elettroni di valenza, ciascuno dei quali è legato in modo covalente a uno dei quattro atomi adiacenti di Si. Se un atomo con cinque elettroni di valenza, come fosforo (P), è incorporato nel reticolo cristallino al posto di un atomo di Si, allora quell'atomo avrà quattro legami covalenti e un elettrone senza legami. Questo elettrone aggiuntivo è solo debolmente legato all'atomo e può essere facilmente portato nella banda di conduzione . Se invece si introduce un atomo trivalente, come il boro, sostituisce un atomo di Si nel reticolo cristallino, manca un elettrone da uno dei possibili quattro legami covalenti. In tal modo l'atomo può accettare un elettrone dalla banda di valenza per completare il quarto legame, questo genera la formazione di una lacuna
. La cellula FV è costituita da due strati di silicio “drogato” postile due facce delle sezioni ricavate dai lingotti. La differenza di potenziale si ottiene attraverso la diffusione controllata, nei forni, di atomi di fosforo e di atomi di boro sui due strati opposti della cellula. I primi creano carenza di elettroni, quindi, i secondi creano esubero di elettroni. Dal primo si ottiene silicio tipo “p”, dall’altro silicio tipo “n”.
Nella giunzione tra i due strati, per effetto del bombardamento di fotoni (esposizione alla luce solare), le cariche elettriche tendono a separarsi creando la circolazione di corrente elettrica tra le due facce della cellula, ossia, i due poli (negativo e positivo) della cella. Ovvero tra il contatto elettrico inferiore, ottenuto per serigrafia di una pasta d’argento, e il contatto elettrico superiore, costituito da una griglia frontale. La cellula fotovoltaica è la giunzione di due sottili materiali semiconduttori (silicio tipo “p” e silicio di tipo “n”). Quando un raggio di luce colpisce la cellula le cariche positive si separano da quelle negative creando una differenza di potenziale. Tra i due semiconduttori si genera una piccola corrente elettrica. Una cellula ha una superficie di 100 mmq, alle condizioni di normale insolazione (25 °C – 1 kW/mq) produce corrente elettrica di 3 Ampere di intensità, 0,5 Volt di tensione e 1,5 Watt di potenza. Il silicio è praticamente una “macchina” che produce energia ma, come tutte le macchine, ha delle perdite di efficienza. I moderni motori a scoppio arrivano al 27%, le centrali elettriche arrivano al 50%. Così il silicio policristallino ha rendimenti bassi pari al 12-14%, il monocristallino ha rendimento del 18% e il silicio amorfo ha efficienza di conversione (7%) ancora più bassa del policristallino, costa meno ma ha un tempo di vita di 10 anni mentre, un modulo policristallino, ha garanzia di vita per 25-30 anni.