Fotovoltaico: il futuro dell'energia

Silicio

silicio 1,12

Il semiconduttore più usato è il che ha una banda proibita di

eV . elettrone di valenza

E’ possibile, dunque, che un , 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.

lacuna

La lasciata nella banda di valenza dall’elettrone passato alla

banda di conduzione può essere considerata a tutti gli effetti una carica

Nei semiconduttori, dunque, partecipano al fenomeno della

positiva, potendo anch’essa muoversi liberamente in presenza di un

conduzione elettrica sia gli elettroni nella banda di conduzione,

campo elettrico.

sia le lacune nella banda di valenza.

Nei semiconduttori intrinseci, cioè

assolutamente puri, gli elettroni e le

Si Si Si lacune di conduzione si formano solo a

Legame covalente

causa della rottura dei legami.

Si

Si

Si L’energia richiesta per rompere un

legame corrisponde alla larghezza

Si Si Si 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. semiconduttori estrinseci

In questo caso si parla rispettivamente di di

n p

tipo “ ” e di tipo “ ” e la conduzione è dovuta alla presenza delle

impurità.

Prendiamo in considerazione cristalli di silicio drogati con materiali quali

n p

tipo tipo

Si Si Si Si Si Si

fosforo e boro: Elettrone libero Lacuna

P B

Si Si Si Si

Atomo di Fosforo Atomo di Boro

Si Si

Si Si Si Si

Il fosforo appartiene al quinto gruppo, inserito nel reticolo cristallino,

atomi donatori

apporta un elettrone in più ( ), mentre il boro, che

atomi

appartiene al terzo gruppo, presenta un elettrone in meno (

accettori ).

Nel primo caso, silicio drogato con fosforo, l’energia di ionizzazione del

0,05 eV

fosforo nel silicio è molto più piccola ( ) dell’energia da fornire al

silicio per permettere ad un elettrone di passare nella banda di

Giunzione P-N

Si-p Si-n Supponiamo di mettere a contatto due

blocchetti di silicio, uno drogato di

tipo p tipo n.

- - - - - - - - - - - e uno drogato di

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

+ + + + + + + + + + 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

I

deriva

deriva I

La corrente di diffusione origina

- + diff

E

un campo elettrico (barriera di

E potenziale V), che tende ad opporsi al

moto delle cariche.

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

+ + + + + + + + + + Come conseguenza alla formazione

- - - - - - - - - - -

+ + + + + + + + + +

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

+ + + + + + + + + + del campo elettrico si viene a creare

Si-n

Si-p - - - - - - - - - - -

+ + + + + + + + + +

- + I

- - - - - - - - - - -

+ + + + + + + + + + una corrente di deriva deriva .

- - - - - - - - - - -

+ + + + + + + + + +

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

+ + + + + + + + + +

+ - Si raggiunge una condizione di

equilibrio dinamico quando le due

diffusione I

diff correnti, quella di deriva e quella di

E(x) - Campo elettrico

E(x) diffusione si bilanciano:

I = I

diff deriva

V(x) V Diodo

Proviamo ora a polarizzare la giunzione

V V

+ +

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

POLARIZZAZIONE INVERSA POLARIZZAZIONE DIRETTA

Porremo il terminale negativo di un Polarizziamo ora il materiale con

generatore di tensione il positivo del generatore sul

sull'estremità del materiale P e il materiale P ed il negativo su

positivo sull'estremità del quello N, la differenza di

materiale N, lo squilibrio elettrico potenziale introdotta dal

tra zona P e zona N tende ad generatore esterno annulla

elevarsi con l'apporto di ulteriori progressivamente la barriera di

cariche negative sulla zona P. potenziale che si era creata nella

zona di contatto della giunzione,

non può

In questa situazione ed il semiconduttore si

circolare nessuna corrente

Abbiamo quindi ottenuto un particolare componente in grado di condurre

comporta come un normale

attraverso la giunzione .

corrente se polarizzato direttamente e di non condurla se polarizzato

conduttore.

invece inversamente. Esso prende il nome di:

DIODO A SEMICONDUTTORE

Cella fotovoltaica

La conversione diretta dell’energia solare in energia elettrica è

realizzata con la

cella fotovoltaica

Essa utilizza il fenomeno fisico dell’interazione della radiazione luminosa

con gli elettroni di valenza nei materiali semiconduttori, denominato

effetto fotovoltaico .

Tale effetto è tra i fenomeni che fanno pensare ad una natura

corpuscolare della luce , infatti, è stato scoperto che è proprio una

fotone

particella associata alle onde elettromagnetiche, denominata , a

fornire l’energia necessaria ad attivare il processo fotovoltaico.

Qualunque sia il semiconduttore impiegato, il meccanismo con cui la

Griglia metallica di -

contatto frontale (-)

Rivestimento

cella trasforma la luce solare in energia elettrica è essenzialmente lo

trasparente stesso.

Strato

antiriflesso

Silicio di

tipo “N”

Silicio di tipo

“P” Contatto mettallico +

posteriore (+)

Cella fotovoltaica

I fotoni della luce solare, quando colpiscono la cella fotovoltaica,

riflessi, assorbiti attraversarla

possono essere , o .

Un fotone assorbito produce calore oppure, se ha sufficiente energia,

libera un elettrone dallo stato legato spingendolo nella banda di

conduzione. Fotoni _

Per liberare una coppia

elettrone-lacuna:

E = h • f = h •

c / > E Si-n +

Dove: g - V

E = Energia fotone

h = Costante di Plank + -

Si-p

(6,626 • 10 J s )

-34

f = Frequenza onda

elettromagnetica Coppia elettrone-lacuna separata Coppia elettrone-lacuna

c = Velocità di I

+

dal campo elettrico di giunzione ricombinata

propagazione

 = Lunghezza d’onda

elettromagnetica

Le coppie elettrone-lacuna così prodotte, che ricadono sotto l’influenza

E = Energy gap

del campo elettrico di giunzione, vengono spinte in direzioni opposte

g

(l’elettrone, nella banda di conduzione, verso la zona N; la lacuna, nella

flusso

banda di valenza, verso la zona P), dando origine a un

elettronico unidirezionale che, in caso di connessione con conduttori

all’interno di un circuito chiuso, si traduce in corrente elettrica .

La fotosintesi clorofillian

La fotosintesi è il processo con cui l’energia

luminosa viene trasformata in energia chimica e il

carbonio viene fissato in composti organici.

L’equazione complessiva della fotosintesi può

essere espressa nel modo seguente:

6CO + 6H O+ energia luminosa C H O + 6O

2 2 6 12 6 2

Affinché l’energia luminosa possa essere utilizzata

deve essere assorbita: le sostanze che svolgono tale

funzione sono definite pigmenti.

I cloroplasti sono gli organuli in cui avviene la

fotosintesi; ciascuno di essi è delimitato da un

involucro, a doppia membrana lipoproteica, che

racchiude lo stroma , soluzione idrofila e ricca di

proteine enzimatiche. Lo stroma è attraversato da un

sistema di lamelle, dette tilacoidi.

Il processo fotosintetico avviene in due stadi:

REAZIONI LUCE-DIPENDENTI

chimica immagazzinata nei legami delle molecole di NADPH e di ATP. Questo stadio

In questo primo stadio l’energia luminosa è convertita

dipende strettamente dalla presenza di luce.

in energia elettrica (flusso di elettroni) e l’energia

Nei tilacoidi la clorofilla e le altre molecole sono ammassate in unità dette

elettrica è trasformata in energia

fotosistemi. Vi sono due tipi di fotosistemi.

Si inizia dal fotosistema II in quanto agisce utilizzando elettroni posti a un livello

energetico inferiore. La fotosintesi clorofillia

Nel fotosistema II i pigmenti assorbono

energia luminosa e la trasferiscono a una

molecola di clorofilla (P ): l’energia spinge gli

680

elettroni di P verso un accettore primario di

680

elettroni. Gli elettroni scendono poi, lungo una

catena di trasporto di elettroni, alla clorofilla a

del fotosistema I, liberando energia per la

Nel fotosistema I la clorofilla è detta sintesi di ATP.

P : i suoi elettroni sono spinti

700

dall’energia luminosa verso un

accettore primario di elettroni. Da

questi essi passano al NADP +

attraverso dei trasportatori: un protone

e due elettroni si combinano con tale

REAZIONI LUCE-

molecola per formare il NADPH.

INDIPENDENTI

Nel secondo stadio

della fotosintesi

l’energia dell’ATP e

del NADPH

viene utilizzata per ridurre il carbonio e sintetizzare zuccheri

semplici.

Una volta che l’ATP e il NADPH sono disponibili, le successive

reazioni possono svolgersi indipendentemente dalla luce per

questo motivo, tali reazioni sono dette «luce-indipendenti».

otosintesi clorofilliana

La riduzione del carbonio avviene nello stroma

in una serie ciclica di reazioni:Il ciclo di Calvin.

Il composto iniziale (e anche quello finale) del

ciclo di Calvin è il ribulosio difosfato (RuDP).

Occorrono sei giri completi del ciclo, con

l'introduzione di sei molecole di anidride

carbonica, per produrre l'equivalente di una

molecola di zucchero a sei atomi di carbonio,

con il glucosio. L'equazione complessiva è la

seguente:

6RuDP+6CO +12NADPH+12H +18ATP

+

2

Le sei molecole di RuDP si combinano con sei

6RuDP+ glucosio + 12NADPH +

molecole di anidride carbonica:ciò produce sei

+18ADP+18P +6H O

i 2

molecole di un composto intermedio che si

scinde dando origine a dodici molecole di PGA.

Queste sono ridotte a dodici molecole di

gliceraldeide 3-fosfato. Dieci di queste si

riassemblano per riformare il composto

iniziale). Le due molecole «in più» di

gliceraldeide 3-fosfato rappresentano il

guadagno del ciclo di Calvin. Usando queste

molecole come punto di partenza, la cellula

può sintetizzare una certa varietà di zuccheri,

amminoacidi e acidi grassi.

L’energia del sole

La vita sulla terra dipende dal continuo flusso

di energia proveniente dal Sole. La quantità di

energia fornita dal Sole alla Terra è di circa

13·10 calorie annue. È una quantità difficile

23

da immaginare; per esempio, la quantità di

energia solare che colpisce ogni giorno la Terra

è più o meno di 2 miliardi di volte superiore

all’energia elettrica prodotta ogni anno in

Europa.

CIrca il 30% di questa energia solare è riflessa

nello spazio sotto forma di luce, mentre il 18%

è diffusa dall’atmosfera e il 25% viene

assorbita da parte di nubi e gas atmosferici.

Gran parte del restante 27% di energia che

raggiunge la superficie terrestre viene

assorbita e convertita in calore.

Di questa la quantità che può essere utilmente

“raccolta” da un dispositivo fotovoltaico

dipende dall’irraggiamento del luogo.

In Italia, l’irraggiamento medio annuale varia

dai 3,6 hWh/m /giorno della pianura padana ai

2

4,7 kWh/m2/giorno del centro Sud e ai 5,4

kWh/m2/giorno della Sicilia.

Una piccola parte, inferiore all’1%, viene

trasformata, attraverso una serie di operazioni

Un fiore fotovoltaico … il girasole!

nome(Helianthus)

Il

deriva da due parole

greche”helios” (= sole)

”anthos”

e (= fiore) in

riferimento alla

tendenza di questa

pianta a girare sempre

verso il sole,

Nella mitologia greca si racconta come una

comportamento noto

ninfa di nome Clizia si fosse innamorata del dio

come eliotropismo.

del sole Apollo e non facesse altro che guardare

il suo carro volare nel cielo. Nove giorni dopo

venne così trasformata in un girasole.

Era il fiore preferito di Vincent van Gogh che lo

immortalò in alcuni splendidi dipinti nel 1888

durante il periodo di Arles.

L’artista elaborò con essi un’idea

completamente nuova della natura morta,

trasformandola, da un lato, in elemento

decorativo, dall’altro, in “natura vita” piena di

energia.

Vincent comincia a dipingere vasi di fiori sotto