A cura del GEN. IARIA ing. ANTONINO

L’ energia solare è

rinnovabile pulita presente in grande quantità.

La tecnologia che sfrutta questa energia è chiamata

L’effetto fotovoltaico consiste nella conversione dell’energia solare in elettricità, sfruttando un dispositivo chiamato cella fotovoltaica. Questo processo è possibile grazie a specifiche proprietà fisiche di alcuni particolari elementi, detti semiconduttori.

La cella fotovoltaica è sostanzialmente un diodo, ovvero una giunzione PN tra due semiconduttori, uno drogato P l’altro N, essa viene anche chiamata fotopila o batteria solare.

I materiali semiconduttori possono essere:

puri leghe

Il rendimento massimo teorico della trasformazione di energia solare in energia elettrica è del 32%. Le celle fotovoltaiche attualmente disponibili hanno un rendimento del 10% circa. Le vere e proprie batterie solari (pannelli fotovoltaici) sono costituite di solito da molti fotodiodi in serie e in parallelo tra loro per fornire elevate correnti ( fino a qualche Ampere) ed elevate tensioni (fino a decine di Volt).

Il semiconduttore maggiormente usato è il Silicio,opportunamente trattato.

All’interno del cristallo di silicio si hanno le seguenti Bande di energia:

Gap di energia tra la banda di valenza e conduzione

L’effetto fotovolaico si realizza quando un elettrone presente nella banda di valenza di un materiale (semiconduttore) passa alla banda di conduzione a causa dell’assorbimento di un fotone sufficientementeenergetico incidente sul materiale.

Perché un semicoduttore?

In un conduttore non esiste un gap di energia tra la banda di valenza e di conduzione, quindi gli elettroni si muovono

liberamente.

In un isolante il gap di energia è alto, quindi gli elettroni rimangono nelle banda di valenza e non sono liberi.

In un semiconduttore esiste un gap di energia ma non tanto grande come negli isolanti. Se agli elettroni viene fornita un’energia sufficiente, questi possono saltare nella banda di conduzione creando una lacuna

Consideriamo un cristallo di Silicio:

Al suo interno gli atomi sono legati da legami covalenti

Elettroni condivisitra atomi vicini

Se il cristallo viene opportunamente drogato con atomi appartenenti al terzo

gruppo ad esempio Boro e del quinto gruppo ad esempio fosforo

si ottiene rispettivamente una struttura di tipo p (con eccesso di

lacune) ed una di tipo n (con eccesso di elettroni)

LacunaElettronelibero

Lo strato drogato con un atomo di fosforo (eccesso di elettroni) darà origine ad uno strato di tipo n.

Lo strato drogato con un atomo di boro (eccesso di cariche positive) darà origine ad uno strato di tipo p.

I due tipi di struttura vengono messe a contatto: la zona di separazione è chiamata giunzione p-n

giunzione p-n

Quando due tipi di strutture (p-n) vengono messe a contatto, si genera un flusso elettronico dovuto alla differente concentrazione dei due tipi di cariche libere.

1. Le lacune della zona di tipo p attraversano la giunzione e si ricombinano con alcuni elettroni nella zona n.

2. Gli elettroni nella zona di tipo n attraversano la giunzione e si ricombinano con alcune lacune nella zona p.

Questo genera in prossimità della giunzione (strato di svuotamento) due strati di carica fissa e di segno opposto (campo elettrico).

Illuminando la giunzione p-n si generano coppie lacune-elettroni su entrambe le zone p e n.

Il campo elettrico separa gli elettroni in eccesso, generati dall’assorbimento della luce, dalle rispettive lacune, spingendoli in direzioni opposte.

Una volta attraversato il campo gli elettroni non tornano più indietro perché il campo agisce come un diodo e ne impedisce l’inversione di marcia.

Il comportamento di una cella fotovoltaica è descrivibile schematicamente mediante un grafico tensione/corrente, come di seguito:

Corrente che attraversa la giunzione

Tensione ai capi della giunzione

1. Condizione di buio

2. Condizione di illuminamento

Quadrante dove la cella (buia o illuminata)

passa in conduzione inversa

Quadrante dove la cellasi comporta da generatore

elettrico

Quadrante dove la cella si comporta da semplice

diodo in conduzione diretta

Punto di massima potenza

Il Silicio monocristallino è stato ed è ancora oggi il semiconduttore più usato per le celle fotovoltaiche.

Vantaggi:

alta efficienza

elevato tempo di vita

Vantaggi:

alta efficienza

elevato tempo di vita

Svantaggi:

Alto costo di preparazione del monocristallo

Vantaggi:

alta efficienza

elevato tempo di vita

Vantaggi:

Spesa cinque volte inferiore ai pannelli classici

Genera molto più corrente rispetto ai pannelli classici.

Assorbimento della luce: avviene grazie ad uno strato di colorante chimicamente legato alla superficie di uno strato di particelle di biossido di titanio, interconnesse tra loro e depositate su un vetro trasparente e conduttore (le dimensioni di queste particelle sono al livello dei nanometri e sono per questo chiamate nanocristalli).

Separazione di cariche: il colorante trasferisce un elettrone al biossido di titanio il quale lo trasporta fino all’elettrodo. Contemporaneamente, una carica positiva (buca) viene trasferita dal colorante ad un composto mediatore, ossidandosi trasporta la carica positiva fino all’altro capo della cella, al contro-elettrodo.

La cella di Gratzel richiama nel suo funzionamento la fotosintesi clorofilliana:

usa un colorante organico analogo alla clorofilla per assorbire la luce e produrre un flusso di elettroni

usa strati multipli per migliorare l’efficienza sia dell’assorbimento della luce, sia della raccolta degli elettroni.

All'interno di ogni cella solare c'è una pellicola costituita da particelle nanocristalline di ossido di titanio. Questa è a sua volta ricoperta da uno strato monomolecolare di un colorante organico. La cella funziona in modo molto simile al processo naturale della fotosintesi: il colorante assorbe molta luce solare e si comporta come la clorofilla nelle foglie verdi. Esso, quindi, acquisisce abbastanza energia da immettere gli elettroni nella banda di conduzione della pellicola nanocristallina di ossido di titanio, che ha la stessa funzione della membrana nei cloroplasti delle piante. Il ruolo delle particelle nanocristalline ha una triplice valenza: far sì che la pellicola abbia una grande superficie interna in modo tale da catturare più luce, raccogliere gli elettroni inviati dal colorante eccitato e trasportarli nel collettore di carica.

Le reazioni coinvolte nel processo complessivo sono le seguenti:

1) Colorante + luce colorante eccitato

2) Colorante eccitato + TiO2 e-(TiO2) + colorante ossidato

3) Colorante ossidato + 3/2 I- colorante + ½ I3-

4) ½ I3- + e-(contro-elettrodo) 3/2 I-

Le particelle interconnesse di biossido di titanio agiscono da accettori di elettroni, lo iodio agisce da donatore di elettroni e il colorante funziona come una “pompa” fotochimica; nella fotosintesi, questi tre ruoli sono svolti rispettivamente dal biossido di carbonio, dall’acqua e dalla clorofilla.

I coloranti utilizzati nelle celle di Gratzel sono:

antociani (estratti dalle ciliegie e dalle more)

derivati della clorofilla

I più efficienti sono i coloranti che trasferiscono le cariche elettriche attraverso il rutenio sintetico, preparato in laboratorio e con tempo di vita molto elevato.

Principali differenze rispetto agli attuali pannelli fotovoltaici

Questo progetto rivoluziona la tecnologia fotovoltaica che per la prima volta riesce a imitare le piante verdi. Rispetto ai dispositivi solari convenzionali hanno molti vantaggi. Per esempio, se queste celle vengono ricoperte con un colorante sensibile alle radiazioni del vicino infrarosso, esse non assorbono la luce visibile. Sono quindi trasparenti e possono servire per costruire finestre che producono elettricità. Un altro pregio è la capacità di queste celle di catturare fasci luminosi provenienti da qualunque angolazione. Inoltre hanno costi di produzione minori e per la loro realizzazione vengono utilizzati materiali poco inquinanti.