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

4. INNOVAZIONE TECNOLOGICA PER LE CELLE FOTOVOLTAICHE
La prima osservazione sperimentale di conversione della luce del sole in energia elettrica
(cella solare) si deve ad Edmond Becquerel nel 1839 per una cella fotoelettrochimica.
Bequerel scoprì l’effetto lavorando sulla fotografia a seguito delle prime esperienze di
Da Guerre (1837). All’inizio le lastre erano poco sensibili alla parte centrale dello spettro
e alla luce rossa in quanto gli alogenuri metallici sono semiconduttori quasi trasparenti e
assorbono in modo trascurabile la luce con lunghezza d’onda superiore a 460 nm.
La svolta fondamentale avvenne alla fine dell’800 quando Vogel scoprì che le emulsioni
di alogenuri d’argento potevano essere trattate con un colorante (dye) che ne estendeva
la sensibilità alla luce verso il rosso. L’uso dei dye fu esteso poi alle celle
fotoelettrochimche con l’eritrosina su elettrodi di alogenuri d’argento. Studi successivi
(Hauffe, Tributsch e Gerischer), hanno dimostrato che il meccanismo di funzionamento
prevalente, sia per il processo fotografico sia per quello fotoelettrochimico, è il
trasferimento di elettroni.
Le celle solari a coloranti (o a dye) e quelle organiche (o polimeriche) rappresentano
l’aspetto più innovativo nel panorama fotovoltaico odierno, anche se hanno ancora
prestazioni inferiori a quelle tradizionali. Esse fanno parte di una tendenza attuale che
cerca di introdurre nella tecnologia le soluzioni che la natura ha selezionato nelle
centinaia di milioni di anni del processo evolutivo.
La storia e la tecnologia di tali due famiglie di celle solari sono fortemente legate alla
fotografia: le celle fotoelettrochimiche, nate studiando le lastre fotografiche e le pellicole
fotografiche, sono l’idea guida per le celle polimeriche.
In entrambi i casi, dei complessi metallorganici, simili alla clorofilla, favoriscono
l’assorbimento della luce. Per l’applicazione solare, la luce crea una coppia elettronelacuna
molto più difficile da trattare che nel caso fotovoltaico tradizionale: si deve
quindi sfruttare una tecnologia molto più sofisticata. Entrambe le famiglie di dispositivi
solari appartengono di diritto alle “nanotecnologie” dato che il loro funzionamento è
basato sull’uso di materiali con dimensioni intorno ai 10 nm, sono progettati su
nanoscala e lavorano in tempi sotto il picosecondo (10-12s).
Nel campo di produzione delle celle fotovoltaiche è necessario ricordare il principio di
funzionamento delle celle tradizionali a semiconduttori inorganici.
La cella solare convenzionale, cioè con semiconduttori inorganici, è costituita da una
sottile “fetta” (o da un film) di un materiale semiconduttore in grado di assorbire la luce
del sole creando una coppia di cariche, una positiva (lacuna) e una negativa (elettrone).
Le due cariche vengono separate da un campo elettrico, interno alla “fetta” (giunzione),
creato per mezzo della diffusione di opportune sostanze dentro il semiconduttore
(omogiunzione) o con l’accoppiamento di due semiconduttori diversi (eterogiunzione).
La figura 44 riporta uno schema tipo di una cella convenzionale. Se il semiconduttore è
di buona qualità cristallina (silicio floating zone), l’elettrone può percorrere millimetri
prima d’incontrare un ostacolo. Se invece è di qualità inferiore, molte delle cariche
trovano ostacoli (per esempio trappole) e si ricombinano prima di arrivare agli elettrodi
di raccolta con conseguente calo di efficienza.
Walter Morgano Tesi di Dottorato di Ricerca