Effetto fotovoltaico L'effetto fotovoltaico si realizza quando un elettrone presente nella banda di valenza banda di valenza di un materiale,generalmente.

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1 Effetto fotovoltaico L'effetto fotovoltaico si realizza quando un elettrone presente nella banda di valenza banda di valenza di un materiale,generalmente semiconduttore passa alla banda di conduzione banda di conduzione a causa dell'assorbimento di un fotone sufficientemente energetico incidente sul materiale.

2 L'effetto fotovoltaico si realizza quando un elettrone presente nella banda di valenza di un materiale (generalmente semiconduttore) passa alla banda di conduzione a causa dell'assorbimento di un fotone sufficientemente energetico incidente sul materiale. banda di valenzasemiconduttorebanda di conduzionefotonebanda di valenzasemiconduttorebanda di conduzionefotone si definisce come banda di valenza quella della Struttura elettronica a bande più bassa in energia fra quelle occupate da elettroni. Il termine "valenza" è stato dato in analogia agli elettroni di valenza di un atomo, che sono quelli del guscio atomico più esterno. E come in un atomo, gli elettroni di valenza di un solido sono quelli responsabili delle caratteristiche fisiche principali del solido si definisce come banda di valenza quella della Struttura elettronica a bande più bassa in energia fra quelle occupate da elettroni. Il termine "valenza" è stato dato in analogia agli elettroni di valenza di un atomo, che sono quelli del guscio atomico più esterno. E come in un atomo, gli elettroni di valenza di un solido sono quelli responsabili delle caratteristiche fisiche principali del solidoStruttura elettronica a bandeelettroni di valenzaStruttura elettronica a bandeelettroni di valenza semiconduttori sono materiali che hanno una resistività (o anche una conducibilità) intermedia tra i conduttori e gli isolanti. Essi sono alla base di tutti i principali dispositivi elettronici e microelettronici a stato solido quali i transistor, i diodi e i diodi ad emissione luminosa (LED). Le proprietà dei semiconduttori diventano interessanti se vengono opportunamente drogati con impurità. Le loro caratteristiche quali resistenza, mobilità, concentrazione dei portatori di carica sono importanti per determinare il campo di utilizzo. semiconduttori sono materiali che hanno una resistività (o anche una conducibilità) intermedia tra i conduttori e gli isolanti. Essi sono alla base di tutti i principali dispositivi elettronici e microelettronici a stato solido quali i transistor, i diodi e i diodi ad emissione luminosa (LED). Le proprietà dei semiconduttori diventano interessanti se vengono opportunamente drogati con impurità. Le loro caratteristiche quali resistenza, mobilità, concentrazione dei portatori di carica sono importanti per determinare il campo di utilizzo.resistività conducibilità conduttoriisolantitransistordiodiLEDdrogatiportatori di caricaresistività conducibilità conduttoriisolantitransistordiodiLEDdrogatiportatori di carica

3 L'effetto fotovoltaico si realizza quando un elettrone presente nella banda di valenza di un materiale (generalmente semiconduttore) passa alla banda di conduzione a causa dell'assorbimento di un fotone sufficientemente energetico incidente sul materiale. banda di valenzasemiconduttorebanda di conduzionefotonebanda di valenzasemiconduttorebanda di conduzionefotone Si definisce come banda di conduzione quella della Struttura elettronica a bande più alta in energia fra quelle non occupate da elettroni. Ovvero anche quella parzialmente occupata da elettroni. È chiamata così per il fatto che è la banda responsabile della conduzione di elettricità. Si definisce come banda di conduzione quella della Struttura elettronica a bande più alta in energia fra quelle non occupate da elettroni. Ovvero anche quella parzialmente occupata da elettroni. È chiamata così per il fatto che è la banda responsabile della conduzione di elettricità.Struttura elettronica a bande elettroniStruttura elettronica a bande elettroni In fisica, il fotone (dal greco φως "phos", che significa luce) è una particella elementare, il quanto del campo elettromagnetico. Il termine "fotone" fu coniato dal chimico statunitense Gilbert Newton Lewis nel 1926 per definire quelli che da Planck erano stati chiamati "quanti", in riferimento alla sua ipotesi secondo la quale l'energia fosse trasportata dalla radiazione elettromagnetica in pacchetti discreti, i quanti.fisicagrecoluce particella elementarequanto campo elettromagneticoGilbert Newton Lewis1926 Planckquanti

4 L'effetto fotovoltaico, osservato per la prima volta da Alexandre Edmond Becquerel nel 1839, costituisce una delle prove indirette della natura corpuscolare delle onde elettromagnetiche. La teoria fisica che spiega l'effetto fotoelettrico, del quale l'effetto fotovoltaico rappresenta una sottocategoria, fu pubblicata nel 1905 da Albert Einstein che per questo ricevette il premio Nobel. Alexandre Edmond Becquerel1839onde elettromagneticheeffetto fotoelettrico1905Albert EinsteinAlexandre Edmond Becquerel1839onde elettromagneticheeffetto fotoelettrico1905Albert Einstein Quando una radiazione elettromagnetica investe un materiale può, in certe condizioni, cedere energia agli elettroni più esterni degli atomi del materiale e, se questa è sufficiente, l'elettrone risulta libero di allontanarsi dall'atomo di origine. L'assenza dell'elettrone viene chiamata in questo caso lacuna. L'energia minima necessaria all'elettrone per allontanarsi dall'atomo (passare quindi dalla banda di valenza che corrisponde allo stato legato più esterno alla banda di conduzione ove non è più legato) deve essere superiore alla banda proibita del materiale. Quando una radiazione elettromagnetica investe un materiale può, in certe condizioni, cedere energia agli elettroni più esterni degli atomi del materiale e, se questa è sufficiente, l'elettrone risulta libero di allontanarsi dall'atomo di origine. L'assenza dell'elettrone viene chiamata in questo caso lacuna. L'energia minima necessaria all'elettrone per allontanarsi dall'atomo (passare quindi dalla banda di valenza che corrisponde allo stato legato più esterno alla banda di conduzione ove non è più legato) deve essere superiore alla banda proibita del materiale.radiazione elettromagneticalacunabanda proibitaradiazione elettromagneticalacunabanda proibita

5 Banda proibita(Bandgap) La banda proibita di un isolante o di un semiconduttore è l'intervallo di energia interdetto agli elettroni. La banda proibita di un isolante o di un semiconduttore è l'intervallo di energia interdetto agli elettroni.isolantesemiconduttore energiaisolantesemiconduttore energia Ovvero, in un isolante (o semiconduttore) non drogato non può esistere un elettrone, in uno stato stazionario, che abbia un'energia relativa compresa nella banda proibita. Generalmente il livello di energia inferiore che limita la banda si chiama livello o banda di valenza, mentre quello superiore si chiama livello o banda di conduzione. Ovvero, in un isolante (o semiconduttore) non drogato non può esistere un elettrone, in uno stato stazionario, che abbia un'energia relativa compresa nella banda proibita. Generalmente il livello di energia inferiore che limita la banda si chiama livello o banda di valenza, mentre quello superiore si chiama livello o banda di conduzione.elettrone Il silicio non drogato ha una banda proibita di circa 1,12 eV a temperatura ambiente. Il silicio non drogato ha una banda proibita di circa 1,12 eV a temperatura ambiente.siliciodrogatoeVtemperatura ambientesiliciodrogatoeVtemperatura ambiente Nella banda proibita avvengono i processi di ricombinazione elettrone - lacuna. Nella banda proibita avvengono i processi di ricombinazione elettrone - lacuna.ricombinazioneelettrone lacunaricombinazioneelettrone lacuna La struttura delle bande di conduzione e di valenza in un metallo in un semiconduttore e in un isolante. La banda proibita è chiamata Bandgap.

6 Tecnologie a confronto Di molti materiali impiegabili per la costruzione dei moduli fotovoltaici, il siliciosilicio è in assoluto il più utilizzato. Le tecnologie di realizzazione più comuni sono: Moduli cristallini Silicio monocristallino (opportunamente drogato) Silicio policristallino Moduli a film sottile Silicio amorfo(EROEI)* Tellururo di cadmio Solfuro di cadmio(spray pericoloso) Arseniuro di gallio(costoso) Diseleniuro di indio rame(CIS) Diseleniuro di indio rame gallio(CIGS) Varianti proprietarie Eterogiunzione Silicio microsferico

7 SEMICODUTTORI

8 RETICOLO CRISTALLINO DEL SILICIO Ogni atomo è legato a 4 atomi Ogni atomo condivide 1 elettrone con ciascun atomo a cui è legato Creazione ottetto di elettroni CONFIGURAZIONE STABILE No movimento di elettroni Comportamento da isolante

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12 GIUNZIONE SILICIO p-n GIUNZIONE SILICIO p-n

13 GIUNZIONE P-N Si parla di giunzione p-n per indicare l’insieme di due regioni di un semiconduttore,una drogata di tipo n e l’altra di tipo p. Si parla di giunzione p-n per indicare l’insieme di due regioni di un semiconduttore,una drogata di tipo n e l’altra di tipo p. Anche se il materiale è neutro, quando si mettono a contatto le due regioni, si genera un flusso elettronico dalla zona n a quella p. Anche se il materiale è neutro, quando si mettono a contatto le due regioni, si genera un flusso elettronico dalla zona n a quella p. Gli elettroni della zona n diffondono nella zona p e dunque il silicio tipo n si carica positivamente mentre quello di tipo p si carica negativamente e la regione intermedia che si crea viene detta zona di svuotamento o di carica spaziale. Gli elettroni della zona n diffondono nella zona p e dunque il silicio tipo n si carica positivamente mentre quello di tipo p si carica negativamente e la regione intermedia che si crea viene detta zona di svuotamento o di carica spaziale. Si crea quindi,all'equilibrio, un campo elettrico interno al sistema che ha un’ampiezza di pochi micrometri. Si crea quindi,all'equilibrio, un campo elettrico interno al sistema che ha un’ampiezza di pochi micrometri. Il campo, anche avendo uno spessore minimo (1 μm), possiede un'elevatissima intensità (10.000 V/cm). Il campo, anche avendo uno spessore minimo (1 μm), possiede un'elevatissima intensità (10.000 V/cm). Esso tiene separate fortemente le zone rimaste con le cariche mobili n e p. La sua direzione è quella che va secondo la convezione dalla cariche positive a quelle negative. Investendo la giunzione p - n con una radiazione luminosa si ottengono delle coppie elettrone-lacuna sia nella zona n che in quella p.

14 GIUNZIONE P-N Gli elettroni in eccesso originati dall’assorbimento della luce sono separati dalle rispettive lacune per mezzo del campo elettrico, il quale spinge gli elettroni verso la zona n e le lacune verso la zona p. Gli elettroni in eccesso originati dall’assorbimento della luce sono separati dalle rispettive lacune per mezzo del campo elettrico, il quale spinge gli elettroni verso la zona n e le lacune verso la zona p. Questa concentrazione di cariche positive da una parte e di cariche negative dall'altra rappresenta una differenza di potenziale che genera una corrente elettrica. Questa concentrazione di cariche positive da una parte e di cariche negative dall'altra rappresenta una differenza di potenziale che genera una corrente elettrica. Il processo può cosi essere sintetizzato : Il processo può cosi essere sintetizzato : L'elettrone presente nella zona p energizzato dall'energia dei fotoni riesce a saltare la giunzione attirando a se una lacuna delle zona n. L'elettrone presente nella zona p energizzato dall'energia dei fotoni riesce a saltare la giunzione attirando a se una lacuna delle zona n. Le due cariche si elidono sulla giunzione, un nuovo elettrone energizzato chiama a sè una nuova lacuna creando un elettrone libero che fluisce dalla zona n alla zona p attraversando il carico C Le due cariche si elidono sulla giunzione, un nuovo elettrone energizzato chiama a sè una nuova lacuna creando un elettrone libero che fluisce dalla zona n alla zona p attraversando il carico C Connettendo la giunzione p - n con un conduttore si ottiene, nel circuito esterno, un flusso di elettroni dallo strato n a potenziale maggiore allo strato p a potenziale minore. L’elettricità fluisce con regolarità sottoforma di corrente continua fino a quando la cella è investita dalla radiazione luminosa.

15 CELLA FOTOVOLTAICA

16 Tensione Il circuito equivalente di una cella fotovoltaica I moduli fotovoltaici sono accomunati dal comportamento elettrico simile a quello di un generatore di corrente quasi perfetto. generatore di corrente

17 CELLA fotovoltaica La cella fotovoltaica o cella solare è l'elemento base nella costruzione di un modulo fotovoltaico. La versione più diffusa di cella fotovoltaica, quella in materiale cristallino, è costituita da una lamina di materiale semiconduttore, il più diffuso dei quali è il silicio, e si presenta in genere di colore nero o blu e con dimensioni variabili dai 4 ai 6 pollici. Piccoli esemplari di celle fotovoltaiche in materiale amorfo sono in grado di alimentare autonomamente dispositivi elettronici di consumo, quali calcolatrici, orologi e simili. Analogamente al modulo, il rendimento della cella fotovoltaica si ottiene valutando il rapporto tra l'energia prodotta dalla cella e l'energia luminosa che investe l'intera sua superficie. Valori tipici per gli esemplari in silicio policristallino comunemente disponibili sul mercato si attestano attorno al 18%. (L'efficienza del modulo è sempre minore ndr.) La cella fotovoltaica o cella solare è l'elemento base nella costruzione di un modulo fotovoltaico. La versione più diffusa di cella fotovoltaica, quella in materiale cristallino, è costituita da una lamina di materiale semiconduttore, il più diffuso dei quali è il silicio, e si presenta in genere di colore nero o blu e con dimensioni variabili dai 4 ai 6 pollici. Piccoli esemplari di celle fotovoltaiche in materiale amorfo sono in grado di alimentare autonomamente dispositivi elettronici di consumo, quali calcolatrici, orologi e simili. Analogamente al modulo, il rendimento della cella fotovoltaica si ottiene valutando il rapporto tra l'energia prodotta dalla cella e l'energia luminosa che investe l'intera sua superficie. Valori tipici per gli esemplari in silicio policristallino comunemente disponibili sul mercato si attestano attorno al 18%. (L'efficienza del modulo è sempre minore ndr.)semiconduttoresiliciopollicisemiconduttoresiliciopollici Una comune cella fotovoltaica in silicio policristallino

18 MODULO Un comune modulo fotovoltaico in silicio monocristallino Un comune modulo fotovoltaico in silicio monocristallino

19 PANNELLO Un modulo fotovoltaico è un dispositivo in grado di convertire l'energia solare direttamente in energia elettrica mediante effetto fotovoltaico ed è impiegato come generatore di corrente quasi puro in un impianto fotovoltaico. Può essere meccanicamente preassemblato a formare un pannello fotovoltaico, pratica caduta in disuso con il progressivo aumento delle dimensioni dei moduli, che ne hanno quindi incorporato le finalità. Può essere esteticamente simile al pannello solare termico, ma ha scopo e funzionamento profondamente differenti. Un modulo fotovoltaico è un dispositivo in grado di convertire l'energia solare direttamente in energia elettrica mediante effetto fotovoltaico ed è impiegato come generatore di corrente quasi puro in un impianto fotovoltaico. Può essere meccanicamente preassemblato a formare un pannello fotovoltaico, pratica caduta in disuso con il progressivo aumento delle dimensioni dei moduli, che ne hanno quindi incorporato le finalità. Può essere esteticamente simile al pannello solare termico, ma ha scopo e funzionamento profondamente differenti.energia solareenergia elettricaeffetto fotovoltaico generatore di correnteimpianto fotovoltaicopannello solare termicoenergia solareenergia elettricaeffetto fotovoltaico generatore di correnteimpianto fotovoltaicopannello solare termico Due pannelli formati ognuno da 12 moduli fotovoltaici montati su supporti a inseguimento solare

20 Il campo fotovoltaico Il campo fotovoltaico é costituito da un insieme di moduli fotovoltaici collegati in serie e in parallelo tra di loro. Il campo fotovoltaico é costituito da un insieme di moduli fotovoltaici collegati in serie e in parallelo tra di loro.

21 La pratica comune di classificare i prodotti in commercio in 12, 18 o 24 V non deriva dalla tensione al suo punto di massima efficienza, ma dalla possibilità di collegarvi una batteria ricaricabile con analoga tensione nominale. tensionebatteria ricaricabiletensionebatteria ricaricabile Certificazioni Certificazioni I moduli fotovoltaici, se impiegati in un impianto fotovoltaico connesso alla rete all'interno dell'Unione Europea, devono obbligatoriamente essere certificati in base alla normativa IEC 61215, che ne determina le caratteristiche sia elettriche che meccaniche. Tra i test più importanti si cita quello per determinarne la potenza in condizioni di insolazione standard, espressa in watt picco (Wp). I moduli fotovoltaici, se impiegati in un impianto fotovoltaico connesso alla rete all'interno dell'Unione Europea, devono obbligatoriamente essere certificati in base alla normativa IEC 61215, che ne determina le caratteristiche sia elettriche che meccaniche. Tra i test più importanti si cita quello per determinarne la potenza in condizioni di insolazione standard, espressa in watt picco (Wp).impianto fotovoltaicoreteUnione Europeapotenzawatt piccoimpianto fotovoltaicoreteUnione Europeapotenzawatt picco Costi Costi Oltre ai problemi di efficienza un discorso a parte meritano i costi di realizzazione delle celle fotovoltaiche, dei relativi moduli e impianti. Per quanto riguarda le celle fotovoltaiche i costi sono gravati fino a circa il 33% dal materiale (ad es. silicio) comprendendo gli scarti di lavorazione e il costoso processo di purificazione. Vanno aggiunti poi i restanti costi per i processi di realizzazione della cella fotovoltaicaica. Ragionando in termini di moduli fotovoltaici, ai costi della cella solare si devono aggiungere i costi della realizzazione dei moduli interi ovvero dei materiali assemblanti, della messa in posa a terra tramite materiali, dell'elettronica di potenza necessaria (inverter), della manodopera e della manutenzione. Sommato il tutto si giunge ad un costo indicativo di circa 33 centesimi di euro per kilowattora prodotto, cosa che rende questa tecnologia ancora troppo poco competitiva all'interno del mercato mondiale dell'energia.[1] Come incentivo alla realizzazione di impianti fotovoltaici è attivo in Italia il sistema Conto Energia. Oltre ai problemi di efficienza un discorso a parte meritano i costi di realizzazione delle celle fotovoltaiche, dei relativi moduli e impianti. Per quanto riguarda le celle fotovoltaiche i costi sono gravati fino a circa il 33% dal materiale (ad es. silicio) comprendendo gli scarti di lavorazione e il costoso processo di purificazione. Vanno aggiunti poi i restanti costi per i processi di realizzazione della cella fotovoltaicaica. Ragionando in termini di moduli fotovoltaici, ai costi della cella solare si devono aggiungere i costi della realizzazione dei moduli interi ovvero dei materiali assemblanti, della messa in posa a terra tramite materiali, dell'elettronica di potenza necessaria (inverter), della manodopera e della manutenzione. Sommato il tutto si giunge ad un costo indicativo di circa 33 centesimi di euro per kilowattora prodotto, cosa che rende questa tecnologia ancora troppo poco competitiva all'interno del mercato mondiale dell'energia.[1] Come incentivo alla realizzazione di impianti fotovoltaici è attivo in Italia il sistema Conto Energia.inverter[1]Conto Energiainverter[1]Conto Energia