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CREAZIONE E SPERIMENTAZIONE CONGIUNTA DI MODELLI PER L'OTTIMIZZAZIONE DELL'UTILIZZO DI ENERGIA FOTOVOLTAICA

 


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COSA SI INTENDE PER EFFETTO FOTOVOLTAICO?


Per effetto fotovoltaico si intende la capacità di alcuni materiali semiconduttori di generare elettricità se sottoposti a radiazione luminosa.
A seguito dell’effetto fotovoltaico un semiconduttore diventa conduttore ma non per questo diventa un generatore elettrico. Per ottenere un generatore elettrico bisogna realizzare una giunzione PN. La fase di “drogaggio” di un semiconduttore consiste nell'inserire nella struttura cristallina del silicio (elemento tetravalente) alcune impurezze in percentuale molto bassa (~ppm), per formare una giunzione PN:
-impurezze tri-valenti (boro);
-impurezze penta-valenti (fosforo).

L’aggiunta di una piccola percentuale di atomi di altri elementi nel cristallo comporta forti cambiamenti nelle proprietà elettriche del cristallo, che viene detto drogato.
Ogni atomo di silicio dispone di quattro elettroni nell’orbitale più esterno (elettroni di valenza), attraverso i quali forma quattro legami covalenti con altri quattro atomi di silicio. Il reticolo cristallino che ne deriva è molto stabile.
Fornendo agli elettroni di valenza una certa quantità di energia sotto forma di luce o di calore essi sono in grado di saltare dalla banda di valenza alla banda conduzione, lasciando uno spazio vuoto nel reticolo cristallino detto lacuna.

Il risultato di questo fenomeno (privo di una direzione privilegiata per il movimento delle cariche) è un flusso sia di elettroni che di lacune (in realtà la lacuna non si muove, ma viene occupata dall’elettrone più esterno di un atomo adiacente che a sua volta lascia una lacuna nello spazio da esso precedentemente occupato, come se la lacuna si fosse spostata).
In condizioni normali questo movimento disordinato di cariche di segno opposto è ostacolato da continui fenomeni di ricombinazione tra elettroni e lacune, ed ha come effetto la produzione di calore.
Per limitare nel cristallo di silicio i fenomeni di ricombinazione degli elettroni e per produrre un effetto utile dal punto di vista energetico è necessaria la presenza di un campo elettrico che sia in grado di dare un orientamento preferenziale al movimento degli elettroni; un campo permanente si può ottenere sovrapponendo due strati di silicio “drogati” con altri elementi chimici. 
In particolare arricchendo uno dei due strati con atomi di fosforo, che hanno cinque elettroni di valenza, si determina un eccesso di elettroni debolmente legati all’atomo perché non coinvolti in legami valenza. Aggiungendo invece atomi di boro (con tre elettroni di valenza) si crea una zona con lacune in eccesso.

Se i due strati, n (negativo) e p (positivo), vengono sovrapposti si ottiene una giunzione detta p-n che genera un movimento di elettroni verso la zona p, che all’equilibrio crea una situazione di neutralità.

Se mettiamo a contatto Silicio drogato di tipo p con Silicio drogato tipo n, a causa degli elevato gradiente di concentrazione avremo diffusione: 
-di lacune da Si-p a Si-n ed 
-elettroni da Si-n a Si-p

Ad un certo punto la diffusione viene frenata in quanto il travaso di cariche da una parte all’altra della giunzione contribuisce a costituire un campo elettrico. L’interfaccia della giunzione risulta praticamente vuota di portatori di carica liberi; in questa regione troviamo cariche positive e negative sostanzialmente dovute agli ioni. 

Nella zona p si concentrano più elettroni e, nella regione di contatto dove è avvenuto il flusso, lo strato presenta una carica negativa; la zona n risulta invece carica positivamente. In questa maniera si è ottenuto un campo di bassa entità, ma stabile all’interno del cristallo di materiale semiconduttore.
Quando una cella di silicio viene esposta al sole, gli elettroni di valenza, assorbendo fotoni, acquistano l’energia necessaria per saltare da una banda di conduzione e migrare nella zona n: parallelamente le lacune si muovono verso la zona p. Questo fenomeno è detto fotovoltaico.
Collegando, mediante conduttori elettrici, la cella ad un carico si è realizzato un generatore fotovoltaico.
Un contatto elettrico deve necessariamente essere a forma di “griglia” sul lato della cella (altrimenti il dispositivo non “vedrebbe” la radiazione solare); l’altro contatto, sul retro della cella, può essere di qualsiasi forma. Attraverso questi contatti avviene la “raccolta” delle cariche generate per effetto dell’esposizione alla luce e, quindi, la circolazione della corrente elettrica nel carico collegato alla cella. 

 

 
 
 
 

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