Fotovoltaico: il futuro dell'energia

Il futuro dell’energia…

È tutto rinnovabile: il fotovoltaico.

Biologia

Italiano: “Leonia e… l’inquinamento”; vitalismo pirandelliano.

Filosofia: Bergson; Nietzsche.

Storia: il problema della guerra nucleare; la crisi petrolifera del ’73 e del ’79.

Fisica: le leggi di Ohm; il diodo a giunzione.

Matematica: l’impatto delle geometrie non-euclidee nella storia del pensiero matematico.

Scienze della Terra: fotosintesi clorofilliana; l’energia del sole; il silicio.

Latino: la visione scientifica della natura nelle “Naturales quaestiones” di Seneca.

Arte: Vincent Van Gogh: “Vaso di girasoli”.

L’energia fotovoltaica

“Ciò che sostiene la vita… è una piccola corrente elettrica mantenuta dalla luce del Sole”.

Albert Szent-Györgyi (1893-1986), premio Nobel per la medicina.

La nozione di energia

L’energia è l’attitudine a compiere un lavoro, esiste sotto innumerevoli forme: chimica, termica, nucleare, elettrica, ecc. Ogni attività umana richiede energia per essere svolta, sia che si tratti di attività biologiche, che di attività di tipo tecnologico. L’uomo, man mano che si creava il bisogno di maggiore energia, ha trovato un modo per sfruttarla sotto le varie forme con cui si presenta, per produrne di più.

Con il progresso inarrestabile dell’ultimo secolo il fabbisogno energetico è cresciuto esponenzialmente e continua a crescere di anno in anno. Nella società moderna l’energia elettrica ha un ruolo predominante, senza di essa quasi nessuna attività umana funzionerebbe; attualmente questa forma di energia viene prodotta quasi esclusivamente sotto forma di corrente alternata.

Altro ruolo fondamentale è quello del petrolio: spinge i nostri veicoli e viene bruciato per produrre energia nelle centrali termoelettriche. La crisi petrolifera del ’73 ha indotto i governi a differenziare le proprie fonti energetiche, così al petrolio si sono affiancati il gas, il nucleare, il fotovoltaico, il geotermico, le biomasse, l’idroelettrico e il carbone.

Ormai è chiaro che la produzione di energia richiede all’uomo forti compromessi che principalmente sono di due tipi: uno riguarda il costo economico di produzione, l’altro l’inquinamento.

Nel passato l’uomo ha scelto il compromesso ecologico preferendo salvaguardare i guadagni, ora la nostra mentalità sembra lentamente cambiare.

Le fonti di energia rinnovabile non producono inquinamento significativo ma hanno un costo molto elevato e fino a poco tempo fa non erano in grado di garantire il fabbisogno energetico.

Ora ci sono progetti riguardanti il fotovoltaico, realizzabili e supportati da importanti personalità scientifiche, che possono annullare la dipendenza dai combustibili fossili; ma i costi di realizzazione, che comunque a lungo termine frutterebbero forti guadagni, sono enormi.

Al contrario le fonti tradizionali hanno un costo minore, le tecnologie e infrastrutture per sfruttarle sono già esistenti. Si parla molto di differenziazione delle fonti, ma ciò in realtà viene fatto poco.

Non si può eliminare improvvisamente i combustibili fossili, ma si potrebbe diminuire la fetta del loro indice.

Indice

• Il fotovoltaico e le principali fonti di energia
• La struttura elettronica
• Teoria delle bande di energia
• Silicio
• Drogaggio di semiconduttori
• Giunzione P-N
• Diodo
• Cella fotovoltaica
• L’energia del sole
• La fotosintesi clorofilliana
• Un fiore fotovoltaico… il girasole!
• Vincent van Gogh
• L’impatto delle geometrie non-euclidee nella storia del pensiero matematico
• Vitalismo pirandelliano
• Vitalismo d’annunziano
• La nozione di energia in Nietzsche e Bergson
• “La visione scientifica della natura nelle Naturales quaestiones” di Seneca
• “Leonia e… l’inquinamento”
• La guerra nucleare
• Crisi energetiche: la crisi del ’73
• Crisi energetiche: la crisi del ’79
• Conclusioni
• Bibliografia
• Sitografia

Il fotovoltaico e le principali fonti di energia

Combustibili fossili: carbone, petrolio, gas naturale.

Produzione di CO₂, SO₂, NO₂.

Inquinamento locale, effetto serra.

Nucleare da fissione

Trasporto e stoccaggio scorie.

Limitata disponibilità del combustibile.

Energie rinnovabili: eolico, fotovoltaico, solare,…

Impatto ambientale delle strutture.

Elevato costo al kWh rispetto alle fonti tradizionali.

Il fotovoltaico e le principali fonti di energia

Le fonti rinnovabili di energia sono “virtualmente” inesauribili essendo sostanzialmente legate al flusso di energia proveniente dal sole o dal nucleo del nostro pianeta.

Il fotovoltaico trasforma l’energia solare in energia elettrica sfruttando l’effetto fotoelettrico, cioè la capacità che hanno alcuni semiconduttori opportunamente trattati, “drogati”, di generare elettricità se esposti alla radiazione luminosa.

Insieme all’energia solare è l’unica il cui sfruttamento non è legato alla disponibilità di particolari risorse o condizioni sul luogo di utilizzo.

Assenza di qualsiasi tipo d’emissione inquinante durante il funzionamento dell’impianto.

L’energia elettrica prodotta dalle sorgenti fotovoltaiche non passa attraverso trasformazioni intermedie, come per esempio avviene per l’energia geotermica, essendo direttamente estratta dalla radiazione solare, grazie alle proprietà di opportuni materiali (semiconduttori).

Estrema affidabilità poiché non esistono parti in movimento.

I moduli FV sono completamente riciclabili: le componenti non deteriorabili, quali le celle FV, la copertura di vetro e le cornici di alluminio, possono essere riutilizzate o riciclate.

Variabilità dell’irraggiamento solare.

Costo degli impianti attualmente elevato, a causa di un mercato che non ha ancora raggiunto la piena maturità tecnica ed economica.

La struttura elettronica

In un solido cristallino, i livelli energetici che possono assumere gli elettroni periferici sono raggruppati in bande di energia.

Solo in certe bande è possibile trovare elettroni:

• La “banda di valenza”, caratterizzata dai livelli energetici che gli elettroni assumono nell’orbita più esterna degli atomi che formano il solido (elettroni di valenza);
• La “banda di conduzione”, che raggruppa i livelli energetici della cosiddetta nube elettronica responsabile del fenomeno della conduzione.

Tra queste due bande vi è una regione, detta “banda proibita”, in cui non vi sono livelli energetici permessi agli elettroni.

La larghezza della banda proibita, detta energy gap, è una caratteristica molto importante del semiconduttore.

La distribuzione degli elettroni fra le varie bande di energia consentita determina le caratteristiche elettriche dei materiali.

Teoria delle bande di energia

Isolante. Semiconduttore. Conduttore.

E. Banda di conduzione.

Energy gap.

Banda di valenza.

In un conduttore non esiste energy gap tra la banda di valenza e quella di conduzione. Gli elettroni si muovono liberamente.

In un isolante l’energy gap esiste e il suo valore è molto alto (4 ÷ 5 eV). Gli elettroni rimangono nella banda di valenza e non sono liberi.

In un semiconduttore l’energy gap esiste, ma il suo valore è relativamente basso (1 ÷ 1,5 eV). Se agli elettroni viene fornita energia sufficiente, possono “saltare” nella banda di conduzione.

Silicio

Il semiconduttore più usato è il silicio, che ha una banda proibita di 1,12 eV.

È possibile, dunque, che un elettrone di valenza, ricevuta un’opportuna quantità di energia, per esempio con l’aumento della temperatura, salti con una certa facilità al livello energetico superiore, dove è poi libero di muoversi sotto l’azione di un eventuale campo elettrico applicato.

La lacuna lasciata nella banda di valenza dall’elettrone passato alla banda di conduzione può essere considerata a tutti gli effetti una carica positiva, potendo anch’essa muoversi liberamente in presenza di un campo elettrico.

Nei semiconduttori, dunque, partecipano al fenomeno della conduzione elettrica sia gli elettroni nella banda di conduzione, sia le lacune nella banda di valenza.

Nei semiconduttori intrinseci, cioè assolutamente puri, gli elettroni e le lacune di conduzione si formano solo a causa della rottura dei legami.

Legame covalente.

Si Si Si.

Si Si Si.

Si Si Si.

L’energia richiesta per rompere un legame corrisponde alla larghezza della banda proibita o energy gap.

Drogaggio di semiconduttori

Aggiungendo al cristallo di silicio delle impurità, si può rendere il semiconduttore ricco di elettroni nella banda di conduzione o di lacune nella banda di valenza.

In questo caso si parla rispettivamente di semiconduttori estrinseci di tipo “n” e di tipo “p” e la conduzione è dovuta alla presenza delle impurità.

Prendiamo in considerazione cristalli di silicio drogati con materiali quali fosforo e boro:

Tipo n. Tipo p.

Si Si Si Si Si Si.

Elettrone libero. Lacuna.

Atomo di fosforo. Atomo di boro.

Il fosforo appartiene al quinto gruppo, inserito nel reticolo cristallino, apporta un elettrone in più (atomi donatori), mentre il boro, che appartiene al terzo gruppo, presenta un elettrone in meno (atomi accettori).

Nel primo caso, silicio drogato con fosforo, l’energia di ionizzazione del fosforo nel silicio è molto più piccola (0,05 eV) dell’energia da fornire al silicio per permettere ad un elettrone di passare nella banda di conduzione.

Giunzione P-N

Supponiamo di mettere a contatto due blocchetti di silicio, uno drogato di tipo p e uno drogato di tipo n.

Si-p. Si-n.

- - - - - - - - - - -

+ + + + + + + + + + - - - - - - - - - - -

+ + + + + + + + + +.

A causa dell’elevato gradiente di concentrazione avremo una diffusione di:

Lacune da Si-p a Si-n ed elettroni da Si-n a Si-p.

Si-n.

Si-p.

- - - - - - - - - - -

+ + + + + + + + + +.

Questo provoca un addensamento di cariche di segno opposto nel punto di contatto della giunzione:

Zona di svuotamento o di carica spaziale.

Giunzione P-N.

Giunzione P-N all’equilibrio.

La corrente nella giunzione

La corrente di diffusione origina un campo elettrico (barriera di potenziale V), che tende ad opporsi al moto delle cariche.

Come conseguenza alla formazione del campo elettrico si viene a creare una corrente di deriva I_deriva.

Si-n.

Si-p.

E(x) - Campo elettrico.

V(x) V.

I_diff.

Si raggiunge una condizione di equilibrio dinamico quando le due correnti, quella di deriva e quella di diffusione, si bilanciano:

I_diff = I_deriva.

Diodo

Proviamo ora a polarizzare la giunzione.

V V.

+ +.

Si-p. Si-n. Si-p. Si-n.

Polarizzazione inversa

Porremo il terminale negativo di un generatore di tensione sull’estremità del materiale P e il positivo sull’estremità del materiale N, lo squilibrio elettrico tra zona P e zona N tende ad elevarsi con l’apporto di ulteriori cariche negative sulla zona P.

Polarizzazione diretta