EFFETTO FOTOVOLTAICO

L'effetto fotovoltaico si osserva quando una cella fotovoltaica di materiale semiconduttore viene investita da radiazione solare (fotoni^* di diversa energia):

Cella fotovoltaica investita dai fotoni.

Quando i fotoni colpiscono una giunzione P-N, specialmente in corrispondenza della zona di contatto tra le due parti del materiale semiconduttore diversamente drogate, le particelle di luce assorbite dalla giunzione e sufficientemente energetiche provocano nel materiale la formazione di coppie lacuna-elettrone. Se il semiconduttore che si utilizza e' il silicio, l'energia richiesta per generare una coppia lacuna-elettrone corrisponde ad una lunghezza d'onda massima, per la radiazione luminosa, di 1,15 μm. Il campo elettrico E, presente tra i due strati di semiconduttore differentemente drogati e prodotto in fase di formazione della giunzione P-N, provvede a separare gli elettroni, generati dall'assorbimento della luce, dalle rispettive lacune, il cui spostamento avverra' in direzione opposta a quella degli elettroni. Gli elettroni liberi, dopo aver attraversato il campo elettrico, non potranno tornare piu' indietro, poiche' quest'ultimo, agendo come un diodo, impedisce loro di invertire la marcia. Se alla cella fotovoltaica si collega un carico, facendo uso di un filo conduttore, nel circuito esterno si avra' un flusso di elettroni dallo strato N, a potenziale maggiore, verso lo strato P, a potenziale minore. Questo movimento di elettroni durera' fino a quando la cella rimarra' esposta alla luce ed in tali condizioni si registrera' una corrente elettrica continua. Ad essere esposto alla luce e' generalmente lo strato N, il quale dovra' garantire il massimo assorbimento di fotoni incidenti sulla giunzione. La corrente elettrica prodotta con l'effetto fotovoltaico risulta proporzionale alla superficie della cella solare ed all'intensita' della radiazione solare. Si definisce efficienza di una cella fotovoltaica il rapporto tra la potenza elettrica generata e la radiazione solare incidente. Solo una parte di tutta l'energia che investe una cella solare, sotto forma di radiazione luminosa, viene convertita in energia elettrica disponibile ai suoi morsetti. In particolare, per celle fotovoltaiche al silicio monocristallino l'efficienza di conversione e' compresa generalmente tra il 13% ed il 17%. I motivi di una cosi' bassa efficienza si possono raggruppare in 4 categorie:

• riflessione - non tutti i fotoni incidenti raggiungono l'interno della cella solare, poiche' in parte vengono riflessi dalla superficie della cella ed in parte incidono sulla griglia metallica dei contatti;

• fotoni troppo energetici o poco energetici - non tutti i fotoni incidenti hanno energia necessaria a liberare elettroni all'interno della giunzione fotovoltaica e quelli troppo energetici dissipano l'energia eccedente in calore all'interno della cella;

• ricombinazione - non tutte le coppie elettrone-lacuna, generate dall'assorbimento della radiazione solare, contribuiscono alla generazione della corrente elettrica nel carico esterno. Infatti, lungo il percorso imposto dal campo elettrico della giunzione si verifica il processo di ricombinazione tra cariche di segno opposto. Quando cio' accade, un elettrone che si ricombina con una lacuna restituisce, sotto forma di calore, una parte dell'energia cinetica che possedeva;

• resistenze parassite - si tratta delle resistenze associate ai contatti metallici posti sul fronte e sul retro della cella solare. Questi contatti provocano dissipazione, che riduce la potenza trasferita al carico esterno.

Un modulo fotovoltaico che sia composto da 36 celle fotovoltaiche collegate in serie, racchiuse tra una lastra di vetro anteriore ed uno strato posteriore in plastica, in condizioni di pieno Sole, eroga una potenza pari a circa 45 W. Tale modulo, la cui tensione di lavoro ai morsetti e' di circa 18 V, puo' essere collegato ad un convenzionale accumulatore per immagazzinare l'energia elettrica prodotta. Collegando poi in serie/parallelo un insieme di questi moduli si ottiene un generatore fotovoltaico con le caratteristiche di corrente e tensione desiderate.

*Il fotone e' una particella priva di carica elettrica e di massa; si propaga alla velocita' della luce, il cui valore nel vuoto e': c = 299.792.458 m/s. L'energia posseduta da un fotone e' data dalla relazione: E = hʋ, con h = 6,63 × 10^-34 J·s = 6,63 x 10^-27 erg·s (costante di Planck) e ʋ = frequenza di oscillazione.