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Le principali tappe della tecnologia fotovoltaica:
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1839 Il
francese Alexandre-Edmond Bécquerel nota che "della
corrente elettrica è generata durante alcune reazioni
chimiche indotte dalla luce". Scopre così l'effetto
fotogalvanico negli elettroliti liquidi.
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1883
L'inventore statunitense Charles Fritz produce una cella
solare di circa 30 centimetri quadrati a base di selenio
con un'efficienza di conversione dell'1-2 per cento.
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1905 Albert
Einstein pubblica la sua teoria sull' effetto
fotovoltaico che gli porterà il premio Nobel
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1963 La
giapponese Sharp produce i primi moduli fotovoltaici
commerciali.
Effetto
Fotovoltaico
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.
Aspetti
teorici
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. 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.
L'utilizzo nelle celle fotovoltaiche
Questo
fenomeno viene usualmente utilizzato nella produzione
elettrica nelle celle fotovoltaiche. Il meccanismo di
funzionamento si basa sull'utilizzo di materiali
semiconduttori. Infatti, nel caso di materiali isolanti, il
band gap risulta troppo elevato per poter essere eguagliato
dall'energia del fotone incidente, mentre per i materiali
conduttori l'energia del band gap è piccolissima, quindi a
temperatura ambiente c'è una continua creazione e
distruzione di coppie elettrone-lacuna e l'energia
necessaria alla creazione viene fornita direttamente dalle
fluttuazioni termiche. Quando un flusso luminoso investe
invece il reticolo cristallino di un semiconduttore, si
verifica la transizione in banda di conduzione di un certo
numero di elettroni al quale corrisponde un egual numero di
lacune che passa in banda di valenza. Si rendono pertanto
disponibili portatori di carica, che possono essere
sfruttati per generare una corrente. Per realizzare ciò è
necessario creare un campo elettrico interno alla cella,
stabilendo un eccesso di atomi caricati negativamente
(anioni) in una parte del semiconduttore ed un eccesso di
atomi caricati positivamente (cationi) nell’altro. Questo
meccanismo si ottiene mediante drogaggio del semiconduttore
che generalmente viene realizzato inserendo atomi del terzo
gruppo come ad esempio il boro e del quinto gruppo (fosforo)
per ottenere rispettivamente una struttura di tipo p (con
un eccesso di lacune) ed una di tipo n (con un eccesso di
elettroni).
Lo strato drogato con elementi del quinto gruppo, che hanno
cinque elettroni esterni (o di valenza) contro i tre di
quelli del terzo gruppo, presenta una carica negativa
debolmente legata, costituita da un elettrone in eccesso per
ogni atomo drogante. Nello stesso modo, nello strato drogato
con elementi del terzo gruppo, che hanno invece tre
elettroni esterni, si ottiene un eccesso di carica positiva,
data dalle lacune degli atomi droganti. Il primo strato, a
carica negativa, viene generalmente chiamato strato n,
l'altro, a carica positiva, strato p, la zona di separazione
è detta giunzione p-n.
Va sottolineato che il materiale risulta essere globalmente
neutro, dato che il drogaggio viene realizzato con atomi
neutri (non ioni), quello che cambia è l'eccesso di
elettroni nei legami covalenti, da una parte, e il difetto
degli stessi dall'altra. Mettendo a contatto i due materiali
così ottenuti, si viene a verificare un flusso di diffusione
di elettroni dalla zona n alla zona p e di lacune in
direzione opposta, fino al raggiungimento dell'equilibrio
elettrostatico, che determina un eccesso di carica positiva
nella zona n, un eccesso di elettroni nella zona p e una
regione intermedia detta regione di svuotamento (in inglese
depletion region). Il risultato è un campo elettrico interno
al dispositivo (detto campo elettrico di built-in) che si
estende a cavallo della regione di svuotamento, generalmente
spessa pochi micrometri.
A questo punto, se viene illuminata con fotoni la giunzione
dalla parte n, vengono a crearsi delle coppie
elettrone-lacuna sia nella zona n che nella zona p. Il campo
elettrico di built-in permette di dividere gli elettroni in
eccesso (ottenuti dall’assorbimento dei fotoni da parte del
materiale) dalle lacune, e li spinge in direzioni opposte
gli uni rispetto agli altri. Gli elettroni, una volta
oltrepassata la zona di svuotamento non possono quindi più
tornare indietro, perché il campo impedisce loro di
invertire la marcia. Connettendo la giunzione con un
conduttore esterno, si otterrà un circuito chiuso nel quale
il flusso di elettroni parte dallo strato n, a potenziale
maggiore, verso lo strato p, a potenziale minore sintanto
che la cella resta esposta alla luce.
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