Fotovoltaico
- 1. Come funzionano le celle fotovoltaiche Semiconduttori Diodo Effetto fotoelettrico Effetto fotovoltaico Cella solare http://www.howstuffworks.com/solar-cell.htm http://it.wikipedia.org/wiki/Effetto_fotovoltaico Liberamente tratto da:
- 2. i semiconduttori Questi elettroni sono detti anche di valenza perch辿 sono questi che formano i legami con altri atomi III IV V Il Silicio (Si), carbonio (C) germanio (Ge) hanno 4 elettroni nellorbitale pi湛 esterno.
- 3. La rete del silicio cristallino In un cristallo puro di Silicio i 4 elettroni esterni sono tutti impegnati a formare 4 legami (covalenti puri) con gli atomi vicini Poich辿 non rimangono elettroni liberi di muoversi il Si cristallino non conduce corrente 竪 cio竪 un isolante . Nonostante laspetto argenteo metallico il Si non 竪 quindi un metallo
- 4. I legami covalenti del reticolo di Si cristallino
- 5. Si pu嘆 rendere il Si un conduttore inserendo una piccola quantit di impurit nel cristallo con un processo detto di doping tipoN tipoP Doping = drogaggio Impurit tipoN: fosforo o arsenico. Questi elementi hanno 5 elettroni esterni e solo 4 possono impegnarsi nei legami col Si. Lelettrone rimasto libero pu嘆 muoversi ed originare una corrente elettrica Il silicio tipo N 竪 quindi un buon conduttore. Gli elettroni hanno carica negativa, da qui il nome tipo N_egativo
- 6. Doping = drogaggio Impurit tipoP: Boro o Gallio. Questi elementi hanno solo 3 elettroni esterni Quando sono mescolati nel reticolo del Si formano delle lacune. La mancanza dellelettrone determina un effetto di carica positiva da cui il nome tipo P_ositivo Una lacuna accoglie un elettrone proveniente dal vicinato dove lascer per嘆 unaltra lacuna. In sostanza anche le lacune si spostano e quindi anche il silicio tipoP 竪 un buon conduttore Una piccola quantit di dopaggio tipo P o N cambia quindi il Silicio da isolante a conduttore. Da qui il nome di semicondutore
- 7. se mettiamo insieme il Si tipoP col Si tipoN si ottiene un DIODO cio竪 un semiconduttore che permette il passaggio di corrente in un solo verso come i cancelletti del supermercato Gli elettroni negativi nel Si tipoN sono attratti dal polo positivo della batteria. Le lacune positive del tipoP sono attratte dal polo negativo della batteria Attaverso la giunzione P-N non passa corrente
- 8. Invertendo la batteria il diodo conduce corrente gli elettroni liberi del SitipN sono respinti dal polo negativo della batteria Le lacune positive del Si tipoP sono respinte dal polo positivo della batteria Alla giunzione P-N lacune ed elettroni si incontrano e si uniscono annullandosi reciprocamente e nuovi elettroni e lacune si formano dal materiale. Leffetto 竪 un passaggio di corrente
- 9. L' effetto fotoelettrico rappresenta l'emissione di cariche elettriche negative, dette elettroni, da una superficie, solitamente metallica, quando questa viene colpita da una radiazione elettromagnetica avente una certa frequenza. Tale effetto, 竪 stato fondamentale per comprendere la natura quantistica della luce. leffetto fotovoltaico 竪 una conseguenza di questa teoria fisica
- 10. Quando una radiazione elettromagnetica investe un materiale pu嘆 cedere energia agli elettroni pi湛 esterni degli atomi del materiale e, se questa 竪 sufficiente, l'elettrone risulta libero di allontanarsi dall'atomo di origine. L'energia minima necessaria all'elettrone per allontanarsi dall'atomo (passare quindi dalla banda di valenza che corrisponde allo stato legato pi湛 esterno alla banda di conduzione ove non 竪 pi湛 legato) deve essere superiore alla banda proibita del materiale. Effetto fotovoltaico
- 11. Sia il Si_N che il Si_P sono elettricamente neutri (non ci sono ioni) Ponendo a contatto i due tipi, tra i due strati si attiva un flusso elettronico dalla zona n alla zona p che, raggiunto il punto di equilibrio elettrostatico, si determina un eccesso di carica positiva nella zona n, dovuto agli atomi di fosforo con un elettrone in meno, e un eccesso di carica negativa nella zona p, dovuto agli elettroni migrati dalla zona n. come funziona una cella solare
- 12. gli elettroni presenti nel silicio tipo n diffondono per un breve tratto nel silicio tipo p: il silicio tipo n si carica positivamente, quello di tipo p si carica negativamente e si crea inoltre una regione intermedia detta zona di svuotamento o di carica spaziale. Il risultato 竪 un campo elettrico interno al dispositivo dellampiezza di pochi micrometri. Questo campo elettrico agisce come un diodo che lascia passare (spinge) gli elettroni dallo strato P allo strato N ma impedisce il percorso inverso
- 13. Il campo elettrico separa gli elettroni generati dallassorbimento della luce dalle rispettive lacune, spingendoli in direzioni opposte (gli elettroni verso la zona n e le lacune verso la zona p). Una volta attraversato il campo, gli elettroni liberi non tornano pi湛 indietro, perch辿 il campo, agendo come un diodo, impedisce loro di invertire la marcia. Illuminando la giunzione p-n dalla parte del silicio tipo n, si generano delle coppie elettrone-lacuna in entrambe le zone n e p.
- 14. Se si connette la giunzione p-n con un conduttore, nel circuito esterno si otterr un flusso di elettroni che parte dallo strato n, a potenziale maggiore, verso lo strato p, a potenziale minore. Fino a quando la cella resta esposta alla luce, l'elettricit fluisce con regolarit sotto forma di corrente continua.
- 15. In sintesi la conversione da luce a energia elettrica effettuata dalla cella fotovoltaica avviene essenzialmente perch辿 questi portatori di carica liberi (elettroni e lacune), generati dalla luce, sono spinti in direzioni opposte dal campo elettrico interno creato attraverso la giunzione di due semiconduttori drogati in modo diverso.
- 16. Anatomia della cella A copertura in vetro B rivestimento antiriflettente C griglia dei contatti D Silicio N E Silicio P F contatti posteriori
- 17. Di tutta l'energia che investe la cella solare sotto forma di radiazione luminosa, solo una parte viene convertita in energia elettrica disponibile ai suoi morsetti. L'efficienza di conversione per celle commerciali al silicio 竪 in genere compresa tra il 13 % e il 17%,
- 18. riflessione : non tutti i fotoni che incidono sulla cella penetrano al suo interno, in parte vengono riflessi dalla superficie della cella e in parte incidono sulla griglia metallica dei contatti; I motivi della bassa efficienza sono possono essere raggruppati in quattro categorie: energia dei fotoni : non tutti i fotoni incidenti possiedono energia sufficiente a rompere il legame tra elettrone e nucleo Alcuni fotoni troppo energetici generano coppie elettrone-lacuna, ma dissipano in calore l'energia eccedente quella necessaria a staccare l'elettrone dal nucleo.
- 19. ricombinazione : non tutte le coppie elettrone-lacuna generate vengono raccolte dal campo elettrico di giunzione e inviate al carico esterno, dato che nel percorso dal punto di generazione verso la giunzione possono incontrare cariche di segno opposto e quindi ricombinarsi; resistenze parassite : le cariche generate e raccolte nella zona di svuotamento devono essere inviate all'esterno. L'operazione di raccolta viene effettuata dai contatti metallici, posti sul fronte e sul retro della cella. Resta una certa resistenza all'interfaccia, che provoca una dissipazione che riduce la potenza trasferita al carico.