Energia fotovoltaica

Energia fotovoltaica a

Liceo Scientifico “G.B. Grassi” Saronno (VA) A.S. 2006/2007

Luca Pagani - 5 G

Indice

• Introduzione
• Effetto fotovoltaico (cenni storici)
• Conduzione elettrica nei materiali
• Struttura elettronica dei semiconduttori
• Teoria delle bande di energia
• Silicio
• Drogaggio di semiconduttori
• Energia dal sole
• Posizionamento impianto
• Giunzione P-N
• Diodo
• Produzione annua di un impianto
• Analisi economica
• Cella fotovoltaica
• Incentivi per l’installazione
• Tipologia di celle fotovoltaiche
• Esempio
• Generatore fotovoltaico
• Impianti fotovoltaici
• Fine

Introduzione 3

Perché puntare all’utilizzo dell’energia solare

• Il sole è una fonte di energia inesauribile, almeno per le nostre prospettive temporali;
• Il sole è l’unica fonte di energia “esterna” rispetto alle risorse disponibili sul nostro pianeta;
• L’energia solare è distribuita in maniera molto più uniforme sul pianeta rispetto a tutte le altre attuali fonti energetiche;
• L’energia solare che investe la Terra è circa 15.000 volte superiore al fabbisogno energetico mondiale.

Esempio:

L’energia solare che investe in un anno una superficie di poco meno di 2 metri quadrati di suolo (Italia Centrale) equivale ai consumi elettrici annuali di una famiglia media (circa 3.000 kWh).

Introduzione 4

Cos’è un impianto fotovoltaico?

È un impianto per la produzione di energia elettrica.

La tecnologia fotovoltaica permette di trasformare direttamente l’energia solare incidente sulla superficie terrestre in energia elettrica, sfruttando le proprietà del silicio, un elemento semiconduttore molto usato in tutti i dispositivi elettronici.

I principali vantaggi degli impianti fotovoltaici sono:

• Assenza di qualsiasi tipo di emissione inquinante;
• Risparmio dei combustibili fossili;
• Estrema affidabilità, non esistono parti in movimento (vita utile superiore a 25 anni)
• Costi di manutenzione ridotti al minimo;
• Modularità del sistema (per aumentare la taglia basta aumentare il numero dei moduli).

Gli svantaggi sono rappresentati da:

• Variabilità della fonte energetica (irraggiamento solare).

Effetto fotovoltaico (cenni storici) 5

L’effetto fotovoltaico è noto fin dal 1839, dalle esperienze del fisico francese Edmond Becquerel (1820-1891) che presentò alla Accademia delle Scienze di Parigi la sua “Memoria sugli effetti elettrici prodotti sotto l’influenza dei raggi solari”.

La scoperta avvenne casualmente mentre effettuava delle esperienze su una cella elettrolitica in cui erano immersi due elettrodi di platino.

Studi successivi condotti intorno al 1876 da Smith, Adams e Day, portarono alla realizzazione della prima cella fotovoltaica costituita dalla giunzione del selenio (semiconduttore) con alcuni ossidi metallici.

Si deve aspettare fino al 1954 per avere la prima cella solare commerciale in silicio realizzata da Person, Fuller e Chapin all’interno dei laboratori Bell.

I costi iniziali di questa nuova tecnologia erano ingenti e ne restrinsero il campo d’azione a casi particolari, come l’alimentazione di satelliti artificiali.

Le sperimentazioni vennero quindi portate avanti per tale scopo e solo verso la metà degli anni settanta si iniziò a rivolgere l’attenzione verso utilizzi “terrestri”.

Conduzione elettrica nei materiali 6

Classicamente dal punto di vista elettrico i materiali si suddividono in: conduttori e isolanti.

Sono caratterizzati dal parametro chiamato: resistenza elettrica [ Ohm (Ω) ], che lega la tensione applicata e la corrente che scorre all’interno del materiale attraverso la:

V = R I

Legge di OHM *

Conduttore Isolante

V

V +

+

R R

molto piccolo molto elevato

La resistenza elettrica dipende in generale solo dalle caratteristiche fisiche del materiale e dalle sue dimensioni.

Esistono però materiali che si comportano in modo anomalo: i semiconduttori.

Struttura elettronica dei semiconduttori 7

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

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Solo in certe bande è possibile trovare elettroni:

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• 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 8

Isolante Semiconduttore

Conduttore

E Banda di conduzione

Energy gap

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 9

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, (es.: 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

Si Si Si puri, gli elettroni e le lacune di conduzione si formano solo a causa della rottura dei legami.

Legame covalente

Si

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

Si Si Si

Drogaggio di semiconduttori 10

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:

Si Si Si

n p

Si Si Si

tipo tipo

Elettrone libero Lacuna

P

Si Si B

Si Si

Atomo di Fosforo Atomo di Boro

Si Si Si Si Si Si