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aprile 16, 2018 Comments (0) Views: 61 Ingegneria Energetica

Pannelli Fotovoltaici

Un pannello fotovoltaico è uno strumento in grado di trasformare l’energia, in particolare si occupa della conversione di energia solare in energia elettrica. Pannello solare (collettore solare) e fotovoltaico ad una prima occhiata possono sembrare il medesimo ente, ma hanno scopo e funzionamento differente. Infatti quest’ultimo (fotovoltaico) sfrutta il cosiddetto “effetto fotovoltaico” trasformando così, attraverso un processo chimico, l’energia solare in energia elettrica. Il collettore solare invece concentra l’energia solare e la converte in energia termica dalla quale si può ricavare energia elettrica.

Per saperne di più riguardo ai collettori solari leggete l’articolo : Il Collettore Solare

Effetto fotovoltaico ed effetto fotoelettrico

 

L’effetto fotovoltaico scaturisce direttamente dalla natura corpuscolare (flusso di fotoni emessi a “pacchetti”, chiamati “quanti”) delle onde elettromagnetiche . La base teorica dell’effetto fotovoltaico è l’effetto fotoelettrico ipotizzato e dimostrato da Albert Einstein nel 1905.

Un campo elettrico produce nello spazio una radiazione (trasporto di energia) la quale investendo un materiale, in determinate condizioni, può cedere energia agli elettroni più esterni degli atomi del materiale. Se l’energia ceduta è sufficiente, l’elettrone risulta libero di allontanarsi dall’atomo di origine creando un “vuoto” nell’ atomo, chiamato lacuna; liberando così uno “spazio” per il passaggio di carica elettrica all’ interno di materiali semiconduttori (come per esempio il silicio). L’elettrone può essere emesso all’ esterno del materiale (situazione che richiede moltissima energia) oppure viene “sbloccato” ed è quindi libero di muoversi all’ interno del materiale.

 

Da notare che la lacuna che viene generata può essere considerata con carica in modulo uguale a quella dell’elettrone (1,602 176 6208 × 10−19 C) ma di segno positivo proprio per differenziarsi da quest’ultimo.

All’ interno del materiale sono dunque sempre presenti due tipologie di elementi con carica, la lacuna e l’elettrone. Se generato, un campo elettrico detto voltaico, può far scorrere corrente (flusso di elementi con carica) all’ interno del materiale semiconduttore ed indirizzare le cariche elettriche verso i rispettivi elettrodi con carica opposta. Per realizzare ciò è necessario concentrare un eccesso di atomi caricati negativamente (anioni) in una parte del semiconduttore ed un eccesso di atomi caricati positivamente (cationi) nell’altra parte. Queste zone di densità di carica vengono formate tramite un processo detto di drogaggio.

 

Processo di drogaggio a p

All’ interno del reticolo cristallino del Silicio vengono inseriti elementi quali il boro (B) il quale comporta il formarsi di una lacuna nel reticolo per ogni atomo di boro introdotto. Anche la lacuna è libera di muoversi all’ interno del reticolo cristallino essendo dunque disponibile alla conduzione. Il boro infatti, essendo del terzo gruppo (può mettere a disposizione al massimo 3 atomi per i legami interatomici), non completa il legame atomico con un atomo di Silicio (appartenente al quarto gruppo) generando in questo modo una ‘vacanza’ (mancanza di qualcosa) (si veda la figura seguente). Mancando degli elettroni e quindi delle cariche negative questa zona è considerata positiva.

 

 

Processo di drogaggio a n

In questo caso nel reticolo cristallino del Silicio vengono inseriti atomi di Fosforo (P) appartenenti al quinto gruppo. Essendo 5 gli atomi di valenza che il P può mettere a disposizione con un massimo di 4 atomi che possono essere utilizzati per i legami con i nuclei di silicio vicini, rimane un elettrone libero dai nuclei atomici libero di muoversi nella struttura cristallina. Per questo motivo questa zona è considerata a carica negativa.

 

Funzionamento

Il pannello fotovoltaico si compone quindi sostanzialmente di più strati: lo strato più esterno con il Silicio di tipo n, un interfaccia intermedia detta giunzione p-n ed infine lo strato più interno con il Silicio di tipo p.

In entrambi i casi il materiale risulta elettricamente neutro; tuttavia, ponendo a contatto i due tipi di strutture, tra i due strati si attiva un flusso elettronico dalla zona n alla zona p. Raggiunto il punto di equilibrio elettrostatico (quando il flusso di elettroni si interrompe), 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.

In poche parole 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 è un campo elettrico interno al dispositivo dell’ampiezza di qualche micrometro (10-9m). Radiando la parte del silicio di tipo n si generano delle coppie elettrone-lacuna in ambedue le zone n e p. Il campo elettrico precedentemente generato, distribuisce gli elettroni in eccesso assorbiti dal materiale (effetto fotoelettrico) spingendoli in direzioni opposte alla zona con più lacune (quindi gli elettroni si spostano nella zona n e le lacune nella zona p). Oltre a distribuire le cariche, il campo elettrico impedisce alle stesse di tornare alle loro posizioni precedenti. Si comporta praticamente come un diodo ovvero un dispositivo che agevola il passaggio di corrente in una direzione e ne ostacola il passaggio nella direzione opposta. Se la giunzione p-n viene posta a contatto con un conduttore e collegata ad un circuito esterno, si ottiene un flusso di elettroni che parte dallo strato n (a potenziale maggiore) allo strato p (a potenziale minore). Il flusso di elettroni fluisce con regolarità finché il materiale è esposto ai raggi solari, sotto forma di corrente continua.

 

 

Esempio di cella commerciale comune

Nell’immagine successiva viene proposto lo schema di una cella commerciale comune. Si osservi che la parte a contatto con i raggi solari è realizzata in forma di griglia a maglie molto larghe, affinché possa passare la massima frazione della luce incidente. Davanti alla zona N è posto uno strato di materiale trasparente di caratteristiche ottiche tali da impedire la riflessione della luce da parte della superficie del silicio (strato antiriflesso). Questo materiale trasparente ha anche una funzione di protezione del silicio (materiale estremamente prezioso sia in campo fotovoltaico sia in campo elettronico in generale). La zona n ,ricca di elettroni, ha uno spessore di circa 0,2-0,3 micron così che possano penetrare i fotoni fino alla zona della giunzione p-n, dove esiste il campo elettrico. La zona P con meno lacune rispetto agli elettroni liberi, è spessa circa 250 micron (quindi con spesso decisamente maggiore rispetto alla precedente), in modo da assorbire tutti i fotoni della radiazione solare. Il campo elettrico della giunzione p-n si estende praticamente all’interno di tutta la zona P. Il contatto più lontano dalla luce solare è costituito da uno strato metallico continuo spesso qualche micron di materiale conduttore.

 

Energia di attivazione

L’effetto fotoelettrico, ossia l’estrazione di elettroni da una superficie, si verifica solo se la radiazione elettromagnetica incidente ha una lunghezza d’onda λ ≤ 546 nm (luce verde), pari a 5,46 x 10-7 m. Applicando la formula f = c/ λ e considerando c = 3 x 108 m/s si calcola che la corrispondente frequenza è pari a f = 5,4945 x 1014 Hz (dove Hz = s-1); quindi l’effetto fotoelettrico si verifica per frequenze maggiori o uguali al predetto valore. A questo punto si possono determinare l’energia E dei fotoni (in J = kg·m2/s2) e la loro quantità di moto p:

  • E = (6,626 x 10−34 Js) x (5,49 x 1014 1/s) = 36,4 x 10−20 J = 3,64 x 10−19 J;
  • phν/c = (3,64 x 10−19 kg·m2/s2/ (3 x 108 m/s) = 1,21 x 10−27 kg·m/s.

con h=,626 x 10−34 Js à costante di Plank

per ulteriore conferma Il valore di p si può anche ottenere dal rapporto h/λ  = (6,626 x 10−34 Js) / (5,46 x 10−7 m) = (6,626 x 10−34 kg·m2/s) / (5,46 x 10−7 m) = 1,21 x 10−27 kg·m/s.

L’energia minima dei fotoni necessaria per dare inizio all’effetto fotoelettrico il cui valore equivale al lavoro di estrazione, viene espressa anche in elettronvolt; poiché l’energia in Joule, e l’energia in eV sono legate dalle relazione: 1 eV = 1,602176487 x 10-19 J, nel predetto esempio si avrà: (3,64 x 10−19 J) / (1,602 x 10−19 J) = 2,27 eV. Tale energia corrisponde al valore di soglia del potassio.

Fonti

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