Progettare ed installare un impianto fotovoltaico - Enea

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L’effetto fotovoltaico, la conversione dell’energia solare. La cella [2.1] L’effetto fotovoltaico e la cella fotovoltaica L’effetto fotovoltaico consiste nella conversione diretta della radiazione solare in energia elettrica. Tale fenomeno avviene nella cella fotovoltaica, tipicamente costituita da una sottile lamina di un materiale semiconduttore, molto spesso silicio. Quando un fotone dotato di sufficiente energia viene assorbito nel materiale semiconduttore di cui è costituita la cella, si crea una coppia di cariche elettriche di segno opposto, un elettrone (carica di segno negativo) ed una “lacuna” (cioè una carica positiva). Si dice allora che queste cariche sono “disponibili per la conduzione di elettricità”. Sruttura della cella Per generare effettivamente una corrente elettrica, però, è necessaria una differenza di potenziale, e questa viene creata grazie all’introduzione di piccole quantità di impurità nel materiale che costituisce le celle. Queste impurità, chiamate anche “droganti”, sono in grado di modificare profondamente le proprietà elettriche del semiconduttore. Se, come comunemente accade, il materiale semiconduttore è il silicio, introducendo atomi di fosforo si ottiene la formazione di silicio di tipo “n”, caratterizzato da una densità di elettroni liberi (cariche negative) più alta di quella presente nel silicio normale (intrinseco). La tecnica del drogaggio del silicio con atomi di boro porta, invece, al silicio di tipo “p” in cui le cariche libere in eccesso sulla norma sono di segno positivo. Una cella fotovoltaica richiede l’intimo contatto, su una grande superficie, di due strati di silicio p ed n. Nella zona di contatto tra i due tipi di silicio, detta “giunzione p-n”, si ha la formazione di un forte campo elettrico. Le cariche elettriche positive e negative generate, per effetto fotovoltaico, dal bombardamento dei fotoni costituenti la luce solare, nelle vicinanze della giunzione vengono separate dal campo elettrico. Tali cariche danno luogo a una circolazione di corrente quando il dispositivo viene connesso ad un carico.
18 Progettare ed installare un impianto fotovoltaico La corrente è tanto maggiore quanto maggiore è la quantità di luce incidente. Ai fini del funzionamento delle celle, i fotoni di cui è composta la luce solare non sono tutti equivalenti: per poter essere assorbiti e partecipare al processo di conversione, un fotone deve possedere un’energia (hν) superiore a un certo valore minimo, che dipende dal materiale di cui è costituita la cella (Eg). In caso contrario, il fotone non riesce ad innescare il processo di conversione. [2.2] L’efficienza di conversione La cella, in relazione alle caratteristiche del materiale di cui è costituita, può utilizzare solo una parte dell’energia della radiazione solare incidente; l’efficienza di conversione, intesa come percentuale di energia luminosa trasformata in energia elettrica disponibile, è in genere compresa tra il 12% e il 17% per celle commerciali al silicio, mentre realizzazioni specia- li di laboratorio hanno raggiunto valori del 24%. L’efficienza di conversione di una cella solare fotovoltaica è limitata da numerosi fattori, alcuni dei quali di tipo fisico, cioè correlati allo stesso fenomeno fotoelettrico e quindi inevitabili, mentre altri, di tipo tecnologico, derivano dal particolare processo adottato per la fabbricazione del dispositivo fotovoltaico. Le cause di inefficienza sono essenzialmente dovute al fatto che: non tutti i fotoni posseggono una energia sufficiente a generare una coppia elettrone-lacuna; l’eccesso di energia dei fotoni non genera corrente ma viene dissipata in calore all’interno della cella; non tutti i fotoni penetrano all’interno della cella, in parte vengono riflessi; una parte della corrente generata non fluisce al carico ma viene shuntata all’interno della cella; solo una parte dell’energia acquisita dall’elettrone viene trasformata in energia elettrica; L’efficienza della cella Spettro della radiazione solare
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