Pannelli Foto-Voltaici
M.Cricchio, L.Ferrazzano, A.Vergato (*) - Linguistic Mediator: R.Triggiano (*)
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(*) Istituto Alfano
I
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Celle Fotovoltaiche.
La cella solare, o cella fotovoltaica, è un dispositivo
semiconduttore, che converte i fotoni (luce) in elettricità.
Fondamentalmente, essa assolve a due funzioni:
- Fotogenerazione di portatori di cariche (elettroni e lacune) in un
materiale che assorbe la luce.
- 2. Separazione dei portatori di cariche, con indirizzamento ad un
contatto che fornirà l’elettricità.
La conversione, dovuta all’ “effetto fotovoltaico”, consiste nella generazione
di una forza elettromotrice. La configurazione più comune di questo dispositivo,
di prima generazione, consiste di una ampia superficie, con un unico strato
di giunzione p-n (diodo), che colpita da luce solare è capace di generare
energia elettrica. Queste celle si ottengono usando una giunzione p-n
al silicio. Sono in fase di sviluppo nuove generazioni di celle fotovoltaiche
che incrementano l’efficienza della fotoconversione. La seconda generazione
di materiali fotovoltaici è basata su più livelli di giunzioni p-n (diodi).
Ogni livello assorbe un’energia luminosa di lunghezza d’onda diversa consentendo
un maggiore assorbimento dello spettro solare e in definitiva una maggiore
quantità di energia convertita. La terza generazione ha caratteristiche
molto diverse e perciò, è definita come una cella che non si basa su una
tradizionale giunzione p-n per separare i portatori di cariche fotogenerate.
Sono incluse, in questa generazione, le celle costruite a partire da vernici
sensibili, le celle di polimeri organici,e le celle solari con crateri.
Si hanno molte applicazioni, alcune particolarmente appropriate come ad
esempio, laddove l’energia non può essere trasportata della rete elettrica,
come in località lontane, per i satelliti in orbita, per i calcolatori tascabili, radiotelefoni remoti e pompaggio di acqua.
Quando un fotone…
Quando un fotone colpisce un pezzo di silicio, può accadere che il fotone
passi attraverso il silicio (se l’energia del fotone è più bassa dell’energia
della banda proibita del silicio semiconduttore), oppure che il fotone
è assorbito dal silicio (se l’energia del fotone è maggiore dell’energia
della banda proibita del silicio). Quando il fotone viene assorbito, la
sua energia viene ceduta ad un elettrone del reticolo cristallino. Normalmente
questo elettrone è nella banda di valenza ed è strettamente impegnato
nei legami covalenti tra atomi adiacenti, e quindi impossibilitato ad
allontanarsi. L’energia trasferita ad esso dal fotone lo eccita a passare
nella banda di conduzione, dove è libero di muoversi all’interno del semiconduttore.
Il legame covalente di cui prima l’elettrone era una parte ha adesso un
elettrone in meno – situazione conosciuta come “lacuna”. La presenza di
questa lacuna permette ad un elettrone di un legame covalente adiacente
di muoversi e colmarla, lasciando un’altra lacuna alle spalle e, in questa
maniera, la lacuna si muove all’interno del reticolo. Di conseguenza,
si può dire che quel fotone assorbito dal semiconduttore, genera una coppia
elettrone-lacuna mobile. È necessario che il fotone abbia un’energia maggiore
del “gap” di energia di banda perché possa eccitare un elettrone dalla
banda di valenza alla banda di conduzione. Comunque, la frequenza dello
spettro solare è vicina a quella di un corpo nero a 6000°K, per cui, buona
parte della radiazione solare che raggiunge la Terra è composta di fotoni
con energia maggiore del gap di energia di banda del silicio. Questi fotoni
con energia più alta saranno assorbiti dalle celle solari, ma la differenza
di energia tra quella dei fotoni e quella del gap di banda del silicio
sarà convertita in calore (attraverso la vibrazione del reticolo – saranno
chiamati fononi) piuttosto che in energia elettrica utilizzabile.
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Circuito equivalente di una cella solare
Per capire il comportamento elettronico di una cella solare,
è utile costruire un modello elettricamente equivalente, basato
su componenti elettrici ben definiti. Una cella solare ideale può
essere ottenuta da una sorgente di energia elettrica in parallelo
con un diodo. In pratica nessuna cella solare è ideale, cosicché
dovremo aggiungere una resistenza in serie e una in parallelo (shunt).
Il risultato è il circuito equivalente di una “cella solare” come
mostrato in figura.
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Connessione ad un carico esterno
I contatti semiconduttore-metallo sono connessi sia dalla regione di
tipo n che dalla regione di tipo p della cella solare ed essi vanno collegati
al carico esterno. Gli elettroni che si generano dalla regione di tipo
n , o raccolti dalla giunzione e spinti nella regione di tipo n , possono
viaggiare attraverso il cavo, alimentare il carico, e raggiungere il contatto
tipo p del semiconduttore. Qui, essi si ricombinano con una lacuna che
si era generata come coppia elettrone-lacuna dalla regione di tipo p della
cella solare, oppure trasportata attraverso la giunzione dal regione tipo
n dopo essere stata generata lì. Normalmente, le celle sono collegate
elettricamente e combinate in “moduli”, o pannelli solari. Esse sono incapsulate
in una resina ed hanno una copertura in vetro, in modo da proteggerli
dagli agenti atmosferici (pioggia, grandine ecc.). Le celle, di solito,
nei moduli, sono connessi in serie, per cui il loro voltaggio si somma.
Il silicio come materiale fotovoltaico
Il silicio è un materiale solido semiconduttore, e quindi gli elettroni
possono trovarsi in alcune bande di energia mentre non possono avere valori
di energia compresi tra queste bande. Queste energie “proibite” sono dette
“band-gap”. A temperatura ambiente il silicio puro non è un buon conduttore.
In meccanica quantistica, ciò si spiega in quanto il livello Fermi si
trova nella band-gap proibita. Per fare del silicio un buon conduttore,
esso viene “drogato” con piccolissime quantità di atomi di elementi appartenenti
al gruppo 13 (III) o gruppo 15 (V) della tavola periodica. Questi atomi di “droga”
si stabiliscono nel reticolo cristallino, e si legano agli atomi di Si
adiacenti. Comunque, siccome gli elementi del gruppo 13 hanno 3 elettroni
di valenza, e quelli del gruppo 15 ne hanno 5, ci saranno nel primo caso
un elettrone in meno e nel secondo caso uno in più per soddisfare i 4
legami covalenti (4 elettroni) per ciascun atomo. Poiché questi elettroni
in eccesso o in difetto (lacuna) non sono coinvolti nel legame del reticolo,
essi sono liberi di muoversi all’interno del materiale. Il silicio “drogato”con
atomi del gruppo 13 (alluminio, gallio) è conosciuto come silicio tipo
p perché si generano delle lacune che trasportano cariche positive, mentre
il silicio “drogato” con atomi del gruppo 15 (fosforo, arsenico) è detto
di tipo n perché la maggioranza dei portatori di cariche (elettroni) sono
negativi. Si deve notare che sia il silicio tipo p che di tipo n sono
elettricamente neutri: essi hanno lo stesso numero di cariche positive
e negative; nel silicio tipo n alcune delle cariche negative sono libere
di muoversi ed è vero il contrario per il silicio tipo p.
Diodi semiconduttori
In una giunzione p-n, la corrente circola, convenzionalmente, dall’anodo (regione di tipo p) al catodo (regione di tipo n), ma non nella direzione
opposta e la curva caratteristica I-V, corrente-tensione, è dovuta al
funzionamento del così detto “strato di svuotamento” o “regione di svuotamento”
che esiste nella transizione p-n tra i differenti semiconduttori. Quando
si genera una giunzione p-n, gli elettroni della banda di conduzione passano
dalla regione tipo n alla regione tipo p, dove trovano un gran numero
di lacune (spazi disponibili ad accogliere elettroni) con cui si ricombinano.
Quando un elettrone si combina con una lacuna, la lacuna scompare e l’elettrone
non può più muoversi. Così, due portatori di carica scompaiono. La regione
intorno alla giunzione p-n si svuota di portatori di carica e si comporta
come un isolante. La regione di svuotamento non può crescere senza limiti.
Per ogni coppia di elettrone-lacuna che si ricombina, viene rilasciato
uno ione positivo di materiale drogante nella regione tipo n, ed uno ione
negativo nella regione tipo p. Con il procedere della ricombinazione ed
il formarsi di ioni, si genera un campo elettrico attraverso la regione
di svuotamento che rallenta e infine blocca il processo. A questo punto,
si stabilisce un potenziale nella regione di svuotamento. Se il diodo
viene collegato ad una tensione esterna con la stessa polarità, la regione
di svuotamento continua ad agire come un isolante impedendo lo stabilirsi
di correnti elettriche. Tuttavia, se la polarità della tensione esterna
si oppone al potenziale proprio, la ricombinazione riprende con lo stabilirsi
di una consistente corrente elettrica attraverso la giunzione p-n.
Tipi di celle solari al silicio
Le celle solari cristalline si dividono in 3 categorie:
- Wafers a cristallo singolo o monocristallino ottenuto con il processo
Czochralski (o CZ). Parecchie celle monocristalline in commercio hanno
un’efficienza del 16-17%. Le celle a cristallo singolo sono costose
perché si ottengono tagliandole da un lingotto cilindrico e non possono
coprire un modulo senza lasciare gaps, pena un grosso sfrido. Inoltre
i pannelli monocristallini hanno zone non sfruttabili agli spigoli delle
celle.
- Celle poli o multi-cristalline al silicio sono ottenute da lingotti
prodotti per fusione, in larghi crogioli di silicio fuso raffreddato
e solidificato. Queste celle sono più economiche rispetto quelle a cristallo
singolo e un tantino meno efficienti (~15–16%). Possono essere formate
in placche quadrate che coprono quasi tutta la superficie a disposizione.
- Silicio a nastro che si ottiene depositando un sottile strato piano
da silicio fuso con struttura multicristallina. Queste celle hanno un’
efficienza più bassa (13,5-15%), ottenute però con un bassissimo sfrido,
in quanto questa tecnica non richiede il taglio.
Tutte tre le tecniche sono basate sulla costruzione di un wafer. In altre
parole, in ogni caso si produce un wafer rigido dello spessore di 180-240
micron che si assembla in celle solari, e poi saldato a formare moduli.
- Lo strato di silicio amorfo (a-Si) o celle solari di film si silicio
si ottengono con una tecnica di deposizione di vapore, tipicamente intensificata
da plasma (PE-CVD). Queste celle hanno una bassa efficienza, circa l’
8%, ma per contro, hanno un costo di produzione molto ridotto.
Il silicio amorfo ha un “bandgap” più alto (1,7 eV) del silicio cristallino
(c-Si) (1,1 eV), che gli consente una efficienza maggiore nell’assorbire
la parte visibile dello spettro, a scapito dell’ importante parte degli
infrarossi. Così come il silicio nanocristallino ha lo stesso bandgap
del c-Si, per cui è possible creare delle celle tandem depositando due
diodi in strati sovrapposti. La cella superiore in a-Si assorbe la luce
visibile e lascia che la parte inferiore in nanocristallino raccolga la
parte infrarossa dello spettro. Una tecnologia brevettata è in sviluppo
per la produzione di fotovoltaico integrato (BIPV) a film sottile con
celle semi-trasparenti che può essere applicata come per i vetri di infissi.
Queste celle funzionano come vetri sfumati mentre generano elettricità.
Links
http://www.fsec.ucf.edu/pvt/pvbasics/ (make it yourself)
http://www.re-energy.ca/pdf/cp_solarcar.pdf
http://home.earthlink.net/~bdewey/EV_solarpower.html (solar glossary), (solar history timeline)
http://www.eere.energy.gov/solar/photovoltaics.html
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