FISICA AMBIENTALE 1

Lezioni 13-14Energia solare fotovoltaica

acceptor impurity(missing electron)

Donor impurity

(free electron)

Rappresentazione bidimensionale di un cristallo di silicio

CELLE FOTOVOLTAICHE Dispositivi di materiale semiconduttore (Si) in cui avviene la diretta conversione di fotoniin energia elettrica

Per V = 0 ID= 0

n + + + + + + + + + +- - - - - - - - - - - - - - p

-V+chargedensity

+-

he he

Id= + I0 IF= - I0

diffusioncurrent

fieldcurrent

Giunzione in assenza di luce. La diffusione causa distribuzione di cariche, ma all’equilibrio Id e IF si bilanciano.

Il circuito rappresenta la corrente IS dell’effetto

fotovoltaico e la corrente di diodo ID.

Diagramma IV per una cella solare, con parametri realistici per il Si:I0 = 5.9 x 10-8 A m-2 ; IS = 520 A m-2 ; KT = 0.025 eV s

insolazione

correntedi diodo

Voltaggio V per cui I = 0

Radiazione emessa

(108 W m-2 m-1)

Lunghezzad’onda

SPETTRO DI EMISSIONE SOLARE

EFFICIENZA DI UNA CELLA

SOLARE =

Potenza emessa (W m-2 )

Radiazione entrante (W m-2 )

E<Eg

E>Eg

E<Eg: 23% dei fotoni non contribuiscono all’efficienza

E>Eg: solo Eg = 1.12 eV è convertita in potenza elettrica. (E>Eg) è persa come calore nel semiconduttore.

(Si)

44% : energia utile; è un lim sup per

Per materiali con Eg maggiori l’energia utile diminuisce.

Abbiamo gli elementi per una stima realistica di :

Energia media di 1 fotone

Il 77% dell’energia di questi fotoni produce effetto fotovoltaico IS=520 A m-2

Con I0 = 5.9 x 10-8 A m-2 e KT = 0.025 eV V0C=0.57 V <Eg

P 240 W m-2

24%

THE GRÄTZEL CELL: dye sensitized photovoltaic cell

1

2

3

4

h è assorbito da un pigmento RuL2(SCN)2:

t = 10-15s

Un e- viene estratto e passa alla banda di conduzione del TiO2:

t = 10-12s

1

2

3 Riduzione del pigmento ossidatot = 10-9s

4

La coppia redox è ridotta. t = 10-3s

Connettendo i due elettrodi si estrae lavoro.

TiO2

+e-

TiO2

pochi m

redox couple

h

substrato TiO2/ pigmenti

Rappresentazione schematica dello strato poroso di nanoparticelle di TiO2 e pigmenti attaccate alla

superficie dell’elettrodo conduttore.