Sistemi fotovoltaici

Sistema fotovoltaico

Il sistema fotovoltaico è un insieme di componenti elettrici, elettronici e meccanici che concorrono a captare e trasformare l’energia solare disponibile, rendendola utilizzabile dall’utenza in energia elettrica.

L'effetto fotovoltaico

Quando un fotone viene assorbito da un materiale, la sua energia viene ceduta a 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. 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.

Il legame covalente di cui prima l’elettrone era una parte ha adesso un elettrone in meno. La presenza di questa lacuna permette a 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.

Questo fenomeno viene usualmente utilizzato nella produzione elettrica nelle celle fotovoltaiche. Il meccanismo di funzionamento si basa sull'utilizzo di materiali semiconduttori, il più utilizzato dei quali è attualmente il silicio. 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).

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.