di Salvatore Massimo Gebbia LA CELLA FOTOVOLTAICA di Salvatore Massimo Gebbia E Danilo Pirrone

I MATERIALI SI DIVIDONO IN: CONDUTTORI Rame Piombo Stagno Metalli Acqua ISOLANTI Plastica Legno Vetro Ceramica Plexiglass

MATERIALE ISOLANTE Applicando una differenza di potenziale ai capi di un materiale isolante le cariche negative rappresentate dagli elettroni non possono staccarsi dal nucleo e, pertanto, tali materiali non consentono il passaggio di corrente elettrica.

MATERIALE CONDUTTORE Applicando una differenza di potenziale ai capi di un materiale conduttore le cariche negative rappresentate dagli elettroni possono staccarsi dal nucleo muoversi liberamente all’interno del materiale. Tali materiali, pertanto, consentono il passaggio della corrente elettrica.

ESISTONO POI I MATERIALI SEMICONDUTTORI In questo tipo di materiali, (es. silicio), gli elettroni assorbono l’energia dai fotoni che ne investono la superficie. Tale carica acquisita, gli consente di liberarsi dal nucleo e cio’ avviene proporzionalmente alla quantità di fotoni irraggiati.

Cella irradiata da molti fotoni In assenza di fotoni Cella irradiata da molti fotoni

QUANDO LA CELLA VIENE IRRADIATA DALLA LUCE SI CREA UNA DIFFERENZA DI POTENZIALE R I (Ampère) V+ V- CHIUDENDO IL CIRCUITO SI AVRA’ CIRCOLAZIONE DI CORRENTE

Che cos'è il fotovoltaico? Il fotovoltaico è una tecnologia che consente di trasformare direttamente la luce solare in energia elettrica, sfruttando il cosiddetto effetto fotovoltaico. Questo effetto si basa sulla proprietà che hanno alcuni materiali semiconduttori opportunamente trattati (fra cui il silicio, elemento molto diffusso in natura), di generare direttamente energia elettrica quando vengono colpiti dalla radiazione solare, senza l'uso di alcun combustibile. Il dispositivo più elementare capace di operare tale conversione è la cella fotovoltaica che è in grado di produrre circa 1/1,5 Watt di potenza quando è investita da una radiazione di 1000 W/m2 (condizioni standard di irraggiamento).

CELLA SOLARE FUNZIONAMENTO Una cella solare, detta anche cella fotovoltaica, è un dispositivo che converte l'energia luminosa in energia elettrica. A volte il termine cella solare è usato per denominare dispositivi che catturano l'energia solare, mentre il termine cella fotovoltaica è usato quando la sorgente luminosa è di natura non specificata. La cella solare, usata per produrre energia, ha un'efficienza compresa tra il 13 e il 20% Di solito le celle, costruite con materiale semiconduttore come il silicio, che è largamente diffuso in questo campo, sono spesse 0,25 mm. e hanno una forma quadrata di 125 x 125 mm. FUNZIONAMENTO Quando la cella è esposta alla luce, se vengono introdotte delle impurità nella struttura cristallina del silicio, usato per la costruzione di celle solari, si crea un campo elettrico che poi viene trasformato in energia.

Su quali principi fisici si basa il funzionamento della cella fotovoltaica? La conversione fotovoltaica è un fenomeno fisico che permette di trasformare direttamente l'energia luminosa in energia elettrica in strutture elementari, le celle fotovoltaiche. Questi dispositivi sono realizzati in materiali semiconduttori, materiali cioè che conducono la corrente elettrica e la cui resistività diminuisce al crescere della temperatura e per la presenza di impurità. L'effetto fotovoltaico consiste nella generazione di una differenza di potenziale elettrico, grazie all'integrazione di un flusso di energia radiante con la materia.

Con l’esperienza di laboratorio, studieremo la trasformazione di Energia Luminosa (fotoni), in Energia Elettrica. Simulando l’effetto dei raggi solari che colpiscono questi materiali semiconduttori.

Proveremo ora a calcolare la potenza elettrica sviluppata (P) Watt conoscendo l’intensità di corrente (I) Ampere e la differenza di potenziale o tensione (V) Volt Sapendo che: P = L / t La potenza è uguale al lavoro sul tempo P = V * I Ma anche al prodotto della tensione per la corrente V+ V- A R I (Ampère) V

MATERIALE UTILIZZATO: Una cella fotovoltaica Una lampada con braccio variabile Cavi di connessione Una resistenza Un amperometro collegato in serie al circuito Un voltmetro collegato ai capi della resistenza

I = corrente (mA milliampere) P = potenza (mW milliwatt) Irraggiando con la lampada la cella fotovoltaica da una distanza iniziale di 18 cm. Abbiamo, con ripetuti spostamenti del braccio, rilevato tensioni e correnti secondo la seguente tabella: d = distanza (cm.) V = tensione (volt) I = corrente (mA milliampere) P = potenza (mW milliwatt) 18 13,5 12 162 23 28 10,5 9,3 97,65 33 7,3 6,5 47,45 38 5,4 4,8 25,92 43 4,0 3,5 14 48 3,2 2,8 8,96 53 2,5 2,2 5,5 58 2,1 1,9 3,99 63 1,8 1,6 2,88

I grafici seguenti rappresentano in modo immediato i dati della precedente tabella. Possiamo osservare come diminuisce la potenza resa riducendo la quantità di fotoni.

Cenni teorici Le celle nello schema generale sono costituite da due strati di semiconduttore (solitamente composti a base di silicio) in contatto fra loro: uno strato è di tipo n, o strato finestra (generalmente si tratta di silicio drogato con fosforo), caratterizzato da una certa quantità di cariche negative (elettroni) e uno strato è di tipo p, o strato assorbitore (ottenuto drogando il silicio con boro), in cui si ha un eccesso di cariche positive. Alla giunzione, cioè nella zona di contatto tra i due strati, si crea una barriera di potenziale. Ciascun fotone, dotato di energia e = h*v , è in grado di liberare all'interno della giunzione una coppia elettrone - lacuna che contribuisce alla conduzione elettrica del semiconduttore. A causa della barriera di potenziale gli elettroni possono passare dallo strato p a quello n, ma non è possibile il passaggio inverso: si crea così un eccesso di elettroni nello strato n. Collegando un conduttore a ciascuno degli strati p e n e chiudendo il circuito ci sarà circolazione di corrente grazie al passaggio degli elettroni che si ricombinano con le lacune. È importante che la radiazione solare penetri in entrambi gli strati n e p ed è per questo motivo che il primo strato è molto sottile rispetto al secondo.

FINE