Celle Fotovoltaiche Annalisa Mastrolia Il problema energetico  Energia: motore dello sviluppo tecnologico, economico e sociale di un paese. sociale.

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2 Celle Fotovoltaiche Annalisa Mastrolia

3 Il problema energetico  Energia: motore dello sviluppo tecnologico, economico e sociale di un paese. sociale di un paese.  Il costo dell’energia sale sempre più, mentre le risorse scarseggiano.  Oggi assume grande importanza il risparmio energetico Razionale e oculato consumo delle risorse conosciute  si cerca di sviluppare nuove forme di energia illimitata

4 L’energia solare è  rinnovabile,  pulita,  presente in grande quantità. La tecnologia che sfrutta questa energia è chiamata fotovoltaica: da foton = luce e voltaico riguarda l’elettricità.

5 Fonte energetica usata: la radiazione solare La radiazione solare nello spazio ha una densità di potenza di ha una densità di potenza di 1353 W/m2, 1353 W/m2, sulla superficie terrestre la sua densità di potenza è di 1000 W/m2, 1000 W/m2, questo perché nell’attraversare l’atmosfera subisce alcuni fenomeni:  parte viene riflessa nello spazio,  parte viene assorbita dall’atmosfera,  la rimanente parte arriva sul suolo dopo essersi distinta in due componenti:diretta e diffusa.

6 Formazione delle bande di energia all’interno del cristallo di Silicio:

7 La tecnologia fotovoltaica converte direttamente energia solare in energia elettrica sfruttando un dispositivo chiamato. CELLA FOTOVOLTAICA Il materiale usato è un semiconduttore : quasi sempre Silicio opportunamente trattato.

8 In un conduttore non esiste energy gap tra la banda di valenza e quella di conduzione In un conduttore non esiste energy gap tra la banda di valenza e quella di conduzione gli elettroni si muovono liberamente. In un isolante l’energy gap esiste e il suo valore è alto gli elettroni rimangono nella banda di valenza e non sono liberi. gli elettroni rimangono nella banda di valenza e non sono liberi. In un semiconduttore l’energy gap esiste ma il suo valore non è alto come quello negli isolanti In un semiconduttore l’energy gap esiste ma il suo valore non è alto come quello negli isolanti Se agli elettroni viene fornita energia sufficiente, possono saltare nella banda di conduzione. Se agli elettroni viene fornita energia sufficiente, possono saltare nella banda di conduzione.

9 Che cosa è una giunzione p-n ? Consideriamo un cristallo di Silicio: al suo interno gli atomi sono legati da un legame covalente. Consideriamo un cristallo di Silicio: al suo interno gli atomi sono legati da un legame covalente. Se il cristallo viene opportunamente drogato con atomi appartenenti al terzo gruppo (Boro) o al quinto gruppo (Fosforo) si avrà una struttura cristallina con portatori di carica liberi rispettivamente positivi (lacune) o negativi (elettroni) Se il cristallo viene opportunamente drogato con atomi appartenenti al terzo gruppo (Boro) o al quinto gruppo (Fosforo) si avrà una struttura cristallina con portatori di carica liberi rispettivamente positivi (lacune) o negativi (elettroni)

10 Due cristalli di silicio vengono drogati diversamente: Due cristalli di silicio vengono drogati diversamente:  un cristallo con Boro a formare una struttura di tipo p  L’altro cristallo con Fosforo a formare una struttura di tipo n. I due tipi di strutture vengono poste a contatto: la zona di separazione è chiamata giunzione p-n. Giunzione p-n

11 Cosa avviene all’interno della giunzione ? Ponendo a contatto i due tipi di strutture, tra i due strati si attiva un flusso elettronico dovuto alla differente concentrazione dei due tipi dii cariche libere. Lacune della zona di tipo p attraversano la giunzione e si ricombinano con alcuni elettroni nella zona n Elettroni della zona di tipo n attraversano la giunzione e si ricombinano con alcune lacune nella zona p Questa ricombinazione determina a cavallo della giunzione due strati di carica fissa e di segno opposto un campo elettrico..

12 Effetto fotovoltaico  Illuminando la giunzione p-n si generano coppie lacune-elettrone su entrambe le zone n e p.  Il campo elettrico separa gli elettroni in eccesso, generati dall’ assorbimento della luce, dalle rispettive lacune, spingendoli in direzioni opposte.  Una volta attraversato il campo gli elettroni non tornano più indietro perché il campo agisce come un diodo e ne impedisce l’inversione di marcia

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14 Caratteristica elettrica delle celle solari

15 Circuito equivalente di una cella solare quando ad essa è applicato un carico I(V) = I sc – I dark (V) O per un diodo ideale O per un diodo ideale: I(V) = I sc – I o (e qV/KT – 1)

16 Punto di funzionamentopunto di potenza massima Punto di funzionamento o punto di potenza massima di una cella Il regime di funzionamento di una cella è quello in cui essa fornisce potenza massima: questo accade ad un certo voltaggio V m a cui corrisponde una certa corrente I m. Quindi data una cella avente una caratteristica V-I, il carico a cui essa fornisce potenza massima è: R = V m /I m. R = V m /I m.

17 Per una cella fotovoltaica si definiscono: Un fattore di riempimento o Fill Factor (FF): FF = ImVm / IscVoc L’efficienza della cella: dove Ps è la potenza della luce solare incidente L’efficienza si può esprimere in finzione del FF: I 4 parametri: sono le caratteristiche chiavi della performance di una cella I 4 parametri: Isc, Voc, FF, sono le caratteristiche chiavi della performance di una cella

18 La tecnologia fotovoltaica Il silicio monocristallino è stato ed è ancora oggi il più usato semiconduttore per le celle fotovoltaiche Vantaggi:  Alta efficienza.  Durabilità nel tempo. Svantaggi :  Alto costo di preparazione del monocristallo.

19 Crescita cristallografica del Silicio monocristallino La tecnica usata è quella di Czocrhalaski

20 Silicio policristallino Il suo uso nasce dalla necessita di diminuire i costi di crescita del cristallo del Silicio Vantaggi Vantaggi :  piùeconomico del Silicio monocristllino.  più economico del Silicio monocristllino. Svantaggi: Svantaggi :  perdita di efficienza dovuta a bordi di grano, impurezze e imperfezioni del reticolo.

21 Stampo in cui il Silicio è fatto raffreddare mediante un gradiente termico verticale controllato. Il blocco viene tagliato in pani di grande misura madinate una lastra segante. I singoli pani vengono tagliati in sottili fette di wafers. La sua tecnica di produzione è il Wacher ingot facturing process (WIFP)

22 Silicio amorfo È in assoluto il semiconduttore più economico ma anche il più scadente. La sua tecnica di produzione è molto semplice perché consiste in una semplice deposizione su lastre di vetro o metalliche. Gli svantaggi del Silicio amorfo sono gli stessi del Silicio policristallino però più accentuati.

23 Un metodo per diminuire le imperfezioni del cristallo del Silicio amorfo è la passivazione della superficie mediante idrogeno:

24 Celle fotovoltaiche a film sottili Tra tutte la più promettente è quella in film sottile di CdTe. Vantaggi :  ottimo coefficiente di assorbimento,  energy gap ideale per l’assorbimento della luce visibile. Svantaggi : il Cd è un materiale tossico.

25 Celle fotovoltaiche a film sottile nanocristallino Il loro principio di funzionamento è diverso dalle comuni celle fotovoltaiche: si basa sullo stesso meccanismo di fotosintesi clorofilliana. Il ruolo della clorofilla è svolto da metalli di transizione complessi: Osmio e Rutenio. Assorbono la luce incidente e con l’energia raccolta eccitano i loro elettroni. Il ruolo della membrana lipidica è svolto dalla membrana ceramica di diossido di titanio.

26 Principio di funzionamento Schema della cella fotovoltaica in film sottile nanocristallino

27 Raccolta della luce attraverso lo strato monomolecolare delle celle a film sottile nanocristallino La superficie richiesta da un sensibilizzatore è 125 volte maggiore di quella che effettivamente raccoglie la luce solare. Con ilmetodo del solgelsi realizza una membrana trasparente che consiste in particelle colloidali di TiO 2 ; il collegamento elettronico è fatto sinterizzando la memrana a 500° C. Con il metodo del solgel si realizza una membrana trasparente che consiste in particelle colloidali di TiO 2 ; il collegamento elettronico è fatto sinterizzando la memrana a 500° C. Si è realizzata una struttura nanoporosa con un’area effettiva molto grande.

28 Materiali fotovoltaici del III- V gruppo Facilmente si può trovare un composto del III- V gruppo disponibile ad assorbire quasi ogni valore di energy gap compreso tra 0,16eV e 2,24eV. Esempi di composti del III-V gruppo sono: GaAs,GaSb,Inp.

29 Il generatore termofotovoltaico è un’applicazione per le celle a infrarosso GaSb. Il tubo ceramico è un bruciatore che diventa incandescente emettendo delle radiazioni infrarosse queste vengono assorbite dalla cella in GaSb che assorbono 1,8 micron e quindi sono adatte a questo scopo. Generatore termofotovoltaico (TPV)