Pannelli Foto-Voltaici

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:

1. Fotogenerazione di portatori di cariche (elettroni e lacune) in un materiale che assorbe la luce.
2. 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.

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.

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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