Celle fotovoltaiche: come funzionano e come sono fatte. Vi illustriamo il funzionamento di una cella solare a base di silicio.
Le celle fotovoltaiche riescono a convertire l’irraggiamento solare in energia elettrica. Questo è ormai chiaro a tutti… sì, ma come ci riescono? La risposta risiede nella struttura della cella solare ma prima di addentrarci e vedere come funziona una cella fotovoltaica vi daremo delle nozioni di base.
Da luce a energia elettrica
E’ importante capire il concetto di “luce”. La luce ha una natura corpuscolare e una natura ondulatoria e, per semplificare, ti diremo che è costituita da fotoni. Ogni fotone, quindi, è quella particella elementare che forma la luce. Per capire il potere energetico della luce, ti invitiamo a leggere il nostro articolo “Microonde, come funziona“, vedrai che la quantità di energia contenuta da un fotone dipende dalla lunghezza d’onda della radiazione solare.
Considerate che un fotone a 260 nm è caratterizzato da un’energia pari a 4,8 elettronvolt. Ecco da dove arriva l’energia che viene trasformata in elettricità. Come avviene questa trasformazione? Proseguiamo per gradi.
Cella fotovoltaica: come è fatta
La cella fotovoltaica è composta da silicio: questo materiale semiconduttore può convertire l’energia della radiazione solare (luce) in energia elettrica.
Il silicio puro contiene 4 elettroni di valenza. Per la produzione delle celle solari viene “drogato” in modo da consentire un passaggio ordinato di elettroni.
Il “silicio drogato” contiene delle “impurità” atte a modificare le proprietà elettriche del semiconduttore. Introducendo atomi di fosforo si ottiene la formazione di silicio di tipo n (caratterizzato da un’elevata densità di elettroni liberi). Introducendo atomi di boro si ottiene la formazione di silicio di tipo p (le cariche libere sono positive, dette lacune).
Il silicio, così trattato, disporrà di una zona P e una zona N separate da una zona di giunzione detta di “svuotamento” o carica spaziale. Gli elettroni dalla zona n diffondono nella zona p, così il silicio N si carica positivamente mentre quello di tipo p si carica negativamente.
Il passaggio di cariche è quello secondo la convenzione: dalla carica positiva a quella negativa.
Cella fotovoltaica: come funziona
Considerate che la zona n e la zona p hanno una grandezza di pochi micrometri e interposta tra queste due zone vi è la carica spaziale. La carica spaziale tiene separate le zone con cariche mobili.
In questo modo, le cariche sono disponibili per la conduzione di elettricità.
Quando un fotone “colpisce” questo sistema, si ottengono delle coppie “elettrone-lacuna” sia nella zona n che in quella p. Questo fenomeno è detto effetto fotoelettrico. Il trattamento del silicio (drogaggio) fa sì che i fotoelettroni si spostino verso la zona n (polo positivo del campo elettrico che si è creato) mentre le lacune (cariche positive) vanno verso la zona p (polo negativo del campo elettrico).
Ricapitolando:
nella cella fotovoltaica vi è un intimo contatto di due strati di silicio, uno di tipo p e uno di tipo n. Questi due strati sono intervallati da una giunzione p-n o zona di svuotamento, in questa zona si ha la formazione di un forte campo elettromagnetico. Tutto questo ha la grandezza di pochi micron.
Funzionamento del fotovoltaico
La luce solare “bombarda” il semiconduttore modificato. Le cariche elettriche positive e negative, per effetto fotovoltaico, vengono separate dal campo elettrico. Si ha la formazione di una differenza di potenziale che darà luogo alla circolazione di corrente: la corrente è tanto maggiore quanto più elevata sarà la quantità di luce incidente. Questo è vero fino a un certo punto a causa di un fenomeno di saturazione: l’eccesso di energia dei fotoni non genera sempre corrente elettrica ma viene dissipato in calore all’interno della cella solare.
L’efficienza di una cella solare è data da diversi fattori. Oltre al “tetto massimo” di energia luminosa che una cella solare riesce ad accogliere prima di dissiparla in forma di calore, vi sono altri fattori che rendono una cella fotovoltaica più o meno efficiente.
Per riuscire a innescare l’effetto fotovoltaico, ogni fotone deve disporre di una certa quantità di energia. Il valore minimo richiesto per innescare l’effetto fotovoltaico dipende dal materiale di cui è costituita la cella.
Solo una parte dell’energia che il fotone trasferisce all’elettrone della cella solare viene trasformata in energia elettrica.
Inoltre, non tutte le coppie elettrone-lacuna vengono separate dalla giunzione n-p, una parte si ricombina all’interno della cella non contribuendo a creare il potenziale elettrico.
Come si produce corrente elettrica con una cella solare
Per generare corrente elettrica, le cariche che circolano nella banda di conduzione dovranno raggiungere i contatti metallici.
Quando l’energia luminosa colpisce la cella solare, le coppie elettrone-lacune all’interno del compartimento n – giunzione np – p, si comportano analogamente a quanto avverrebbe in un diodo con in parallelo un generatore di corrente.