L’AUTOMOBILE AD IDROGENO: LE CELLE FOTOVOLTAICHE PROGETTO REALIZZATO DALL’IPIAS «A. ZOLI» DI ATRI (TE) IN COLLABORAZIONE CON LA FONDAZIONE TERCAS A.S. 2012/13 Docenti: Di Pietro Giuseppe Sansonetti Ivano Classi III A e IV A IPIAS

Energia pulita, inesauribile e … GRATIS! Un sogno? Il vento LE CELLE FOTOVOLTAICHE-CLASSE III A e IV A IPIAS

LE CELLE FOTOVOLTAICHE-CLASSE III A e IV A IPIAS Che forza il sole! LE CELLE FOTOVOLTAICHE-CLASSE III A e IV A IPIAS

LE CELLE FOTOVOLTAICHE-CLASSE III A e IV A IPIAS Il sole calore luce energia elettrica LE CELLE FOTOVOLTAICHE-CLASSE III A e IV A IPIAS

Effetto fotovoltaico: cos’è? L’effetto Fotovoltaico o fotoelettrico consiste nella conversione della energia proveniente dal sole, sotto forma di radiazione solare, in elettricità. LE CELLE FOTOVOLTAICHE-CLASSE III A e IV A IPIAS

LE CELLE FOTOVOLTAICHE-CLASSE III A e IV A IPIAS Un pò di storia “L'effetto fotovoltaico” è noto fin dal 1839, e trova il suo fondamento nella esperienza 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". Edmond Becquerel Nel 1870 l'effetto fotovoltaico fu studiato in solido sul selenio, da Heinrich Hertz, e nel 1876, da Willoughby Smith, William Adam e Richard Day, i quali conclusero che tali celle erano in grado di convertire la luce in elettricità con una efficienza compresa fra 1% e il 2%. Heinrich Hertz LE CELLE FOTOVOLTAICHE-CLASSE III A e IV A IPIAS

LE CELLE FOTOVOLTAICHE-CLASSE III A e IV A IPIAS Un pò di storia Il principio fu meglio compreso nel 1905 da Einstein - che nel 1921 per questa scoperta fu premiato con il Premio Nobel per la fisica - e nel 1930 da Walter Schottky. I due scienziati posero le basi scientifiche per la realizzazione della prima cella solare. Albert Einstein Nel 1954 Chapin, Pearson e Fuller, nei laboratori della Bell Telephone, svilupparono la prima cella basata su semiconduttori al silicio in grado di convertire il 6% dell'energia solare in energia elettrica. Gerald Pearson, Daryl Chapin, e Calvin Fuller LE CELLE FOTOVOLTAICHE-CLASSE III A e IV A IPIAS

LE CELLE FOTOVOLTAICHE-CLASSE III A e IV A IPIAS Un pò di storia La prima applicazione di celle solari è dovuta agli americani che nel marzo del 1958 alimentarono la trasmittente del satellite artificiale Vanguard1 che ancora oggi è in orbita attorno alla terra LE CELLE FOTOVOLTAICHE-CLASSE III A e IV A IPIAS

UNA CELLA FOTOVOLTAICA LE CELLE FOTOVOLTAICHE-CLASSE III A e IV A IPIAS

LE CELLE FOTOVOLTAICHE-CLASSE III A e IV A IPIAS STRUTTURA DELLA CELLA RADIAZIONE SOLARE + _ + _ CONTATTO ANTERIORE (GRIGLIA) CARICO ANTIRIFLESSO ZONA DI SVUOTAMENTO REGIONE N (Fosforo) REGIONE P (Boro) CONTATTO POSTERIORE LE CELLE FOTOVOLTAICHE-CLASSE III A e IV A IPIAS

L’efficienza della cella Perdite elettriche Perdite ottiche L’efficienza La cella fotovoltaica è caratterizzata da un’ulteriore parametro, l’efficienza, che rappresenta in percentuale il rapporto tra la potenza massima che si ottiene dalla cella (Pmax) e la potenza della luce che incide sulla sua superficie frontale (Psol espressa in Watt al metro quadro per l’area della superficie esposta, (A) :   = Pmax / Psol A  L’efficienza di conversione per celle commerciali in silicio monocristallino è in genere compresa tra il 12,5% e il 16 % per il silicio policristallino tra l’11% e il 13% per il silicio amorfo tra il 6% e il 9%, ma sono stati realizzati dei prototipi in laboratorio che raggiungono valori molto più alti dell’efficienza. Non si riesce però una volta esposte le celle alla luce del sole a mantenere stabili i valori dell’efficienza sui livelli massimi. L’efficienza viene limitata da molti fattori quasi tutti legati alla difficoltà che trovano gli elettroni a separarsi sugli elettrodi; i principali sono: ·       energia dei fotoni non è sempre sufficiente a far saltare gli elettroni dalla banda di valenza alla banda di conduzione. ·       ricombinazioni tra elettroni e lacune ·       resistenza tra materiale semiconduttore e i contatti metallici ·       resistenza tra i diversi cristalli strettamente dipendente dalla struttura interna del materiale La temperatura è un elemento che ostacola il passaggio degli elettroni nel semiconduttore perché aumenta l’ampiezza e la frequenza di oscillazione degli atomi Per alcuni materiali l’efficienza è funzione della temperatura: per il silicio ad esempio, mentre la corrente di corto circuito resta invariata, la tensione di circuito aperto diminuisce al crescere della temperatura. di circa 2,3 mV/°C (A.Martì, 1997). Ciò comporta una diminuzione complessiva delle prestazioni della cella. LE CELLE FOTOVOLTAICHE-CLASSE III A e IV A IPIAS

IL MODULO FOTOVOLTAICO Elemento base degli impianti fotovoltaici Costituito da celle fotovoltaiche collegate elettricamente e incapsulate Protezione meccanica e agli agenti atmosferici Isolamento elettrico Supporto strutturale Caratteristiche richieste Stabilità ai raggi ultravioletti Tolleranza alle temperature Capacità di smaltire il calore LE CELLE FOTOVOLTAICHE-CLASSE III A e IV A IPIAS

Silicio di grado solare Celle di grandi dimensioni Le nuove tecnologie La ricerca Celle innovative Nuovi materiali Silicio di grado solare Celle di grandi dimensioni Film sottili LE CELLE FOTOVOLTAICHE-CLASSE III A e IV A IPIAS

Le nuove tecnologie Film sottili Silicio amorfo Semiconduttori composti policristallini CIS - diseleniuro di indio CuInSe2 Tellururo di Cadmio CdTe CIGS - diseleniuro di rame CuInGaSe2 LE CELLE FOTOVOLTAICHE-CLASSE III A e IV A IPIAS

LE CELLE FOTOVOLTAICHE-CLASSE III A e IV A IPIAS Uno sguardo al futuro Celle fotovoltaiche senza … silicio Un gruppo di ricercatori dell’Istituto Tecnologico del New Jersey, ha sviluppato una cella fotovoltaica economica e facile da usare che non impiega silicio. E grazie ai nanotubi di carbonio di cui è costituita, potrebbe essere disegnata o stampata su pannelli di plastica flessibili. Sviluppare celle solari organiche dai polimeri è un’alternativa economica e semplice, afferma Somenath Mitra lo scienziato che guida il progetto. Per fabbricare le celle solari convenzionali, ovvero le unità di base dei pannelli fotovoltaici, è indispensabile avere silicio Immagine di un nanotubo altamente purificato, ottenuto con un processo che è molto costoso in termini di energia richiesta per la purificazione. Le celle solari sviluppate dai ricercatori del New Jersey usano nanotubi a parete singola e di forma cilindrica combinati con altri a struttura ultrafine, 50′000 volte più piccola di un capello, detti fullereni. LE CELLE FOTOVOLTAICHE-CLASSE III A e IV A IPIAS

William Yuan e le celle fotovoltaiche 3D Uno sguardo al futuro William Yuan e le celle fotovoltaiche 3D William Yuan è un ragazzo di 12 anni di Beaverton, USA. Nonostante la sua età, Yuan ha già studiato la fusione nucleare e diversi tipi di nanotecnologie ed è sulla buona strada per far fare un salto alle tecnologie solari con le sue celle fotovoltaiche 3D. La sua cella sarebbe in grado di assorbire sia il visibile sia i raggi UV. Se William Yuan avesse ragione, la sua celle fotovoltaica 3D grazie alle nanotecnologie assorbirebbe 500 volte più energia solare di qualsiasi altro pannello fotovoltaico ora in commercio e 9 volte più di tutte le altre tecnologie a celle solari ora in sviluppo. Per permettergli di proseguire negli studi a William Yuan è stata assegnata una borsa di studio di 25.000 $ LE CELLE FOTOVOLTAICHE-CLASSE III A e IV A IPIAS

Celle fotovoltaiche con efficienza del 63% Uno sguardo al futuro Celle fotovoltaiche con efficienza del 63% Un gruppo di ricercatori spagnoli guidati da Perla Wahnon e Josè Conesa di Madrid sta lavorando su un nuovo materiale in grado di sfruttare sia i fotoni del visibile sia quelli dell'infrarosso, quindi arrivare ad un massimo teorico di efficienza pari al 63%. Le celle solari convenzionali si basano su un semiconduttore come il silicio. Ma la loro incapacità di assorbire circa il 30% dell‘energia solare pone un limite teorico non indifferente. Ora i ricercatori spagnoli utilizzeranno questa idea per progettare la loro nuova cella solare, aggiungendo il nuovo materiale al titanio e vanadio dei semiconduttori convenzionali modificando le proprietà elettroniche per creare questo livello intermedio di assorbimento di energia. LE CELLE FOTOVOLTAICHE-CLASSE III A e IV A IPIAS

Arriva il gel… fotovoltaico Uno sguardo al futuro Arriva il gel… fotovoltaico Produrre energia attraverso un gel. La scoperta viene da una azienda italiana, la ESCO (Energy Saving Company Energy) di Potenza. Un pool di ingegneri e biochimici hanno lavorato sull'applicazione nanotecnologica, fino a mettere a punto un gel a base di silicio in grado di produrre energia elettrica. Il gel, applicato nelle intercapedini dei doppi vetri o colato nella lastra e in ogni superficie vetrata, diventa un generatore di energia elettrica. Secondo quanto spiegato dal responsabile della ricerca della Esco, Alessandro Cariani, ''il costo e' pari alla meta' di un normale pannello fotovoltaico'‘. L'energia solare viene catturata e assorbita da piccoli terminali elettrici installati nelle finestre, per essere poi riversata in rete, permettendo una produzione di cento watt/ora per ogni metro quadro di superficie LE CELLE FOTOVOLTAICHE-CLASSE III A e IV A IPIAS