produzione di energia elettrica con sistemi a celle ... - Il Saturatore

cenni introduttivi
I fotoni che hanno lunghezza d’onda maggiore di 1,1µm sono fotoni che non hanno
energia sufficiente per generare i portatori di carica.
L’area sottostante alla curva di distribuzione alla destra di 1,1 µm è pertanto
proporzionale all’energia che non può essere utilizzata dalla cella fotovoltaica.
Approssimativamente per tale limitazione è perduto il 23% dell’energia totale. Mentre,
infatti, tutti i fotoni con lunghezze d’onda minori di 1,1 µm possono generare dei
portatori di carica, non tutta l’energia dei singoli fotoni può essere, però, utilizzata.
Poiché ciascun fotone produce una coppia di elettroni e buche, l’energia in eccesso
contribuisce solamente a riscaldare il semiconduttore.
Si può ottenere con facilità un valore approssimativo dell’efficienza dei fotoni in eccesso
rispetto all’energia di soglia E g. Se Eλ è la densità di energia spettrale dei fotoni
incidenti, Eλdλ rappresenta l’energia che è disponibile nel range dλ. Il numero
corrispondente dei fotoni in tale range differenziale di lunghezze d’onda, dn, può essere
ottenuto dividendo Eλdλ per l’energia di un fotone hν.
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Eλd
dn =
hν
λ λ
λE
dλ
=
hc
L’energia utile di ogni fotone è E g, l’energia necessaria all’elettrone di valenza per
svincolarsi dal legame quantistico di valenza è:
E
E dn =
g
E dλ
hc
gλ
λ
l’energia di soglia E g è legata alla lunghezza d’onda del fotone:
λ
λ λ
E dn E
hc
Eg
g ⎟
g
g
⎟
⎛ ⎞
= , = ⎜
⎝ ⎠
la distribuzione di energia, valida per λ ≤ λg
, è indicata in figura 9. Quando si considera
il predetto effetto soltanto un 44% dell’energia dovuta alla radiazione incidente può
essere potenzialmente utilizzata dalla cella fotovoltaica.
I semiconduttori con maggiore energia di soglia E g utilizzano, nelle interazioni con gli
elettroni di valenza, quasi tutta la loro energia, ma il numero dei fotoni sotto soglia è
assai rilevante. Nei semiconduttori con energia di soglia Eg più bassa interagisce, invece,
un maggiore numero di fotoni, ma si utilizza, ai fini dell’effetto fotovoltaico, una minore
quantità di energia posseduta dai fotoni che interagiscono. In base a queste
considerazioni, l’ottimo del gap di banda per l’energia è dell’ordine di 1,5 eV, quantità
maggiore di quella del silicio.
Per le tipiche celle fotovoltaiche, la tensione di uscita è considerevolmente minore
rispetto alla differenza di potenziale che corrisponde al gap di banda (1/2÷2/3 di E g in
eV). Pertanto l’ordine di grandezza del rendimento teorico di conversione diretta
dell’energia dei fotoni in energia elettrica è di un 22%.
Loferski indica valori teorici per celle al silicio del 19,2%.
Walter Morgano Tesi di Dottorato di Ricerca
λ d
λ