funzionamento celle solari

2. i semiconduttori Questi elettroni sono detti anche “di valenza” perché sono questi che formano i legami con altri atomi III IV V Il Silicio (Si), carbonio (C) germanio (Ge) hanno 4 elettroni nell’orbitale più esterno.

3. La “rete” del silicio cristallino In un cristallo puro di Silicio i 4 elettroni esterni sono tutti impegnati a formare 4 legami (covalenti puri) con gli atomi vicini Poiché non rimangono elettroni liberi di muoversi il Si cristallino non conduce corrente è cioè un isolante . Nonostante l’aspetto argenteo metallico il Si non è quindi un metallo

4. I legami covalenti del reticolo di Si cristallino

5. Si può rendere il Si un conduttore inserendo una piccola quantità di impurità nel cristallo con un processo detto di doping tipoN tipoP Doping = drogaggio Impurità tipoN: fosforo o arsenico. Questi elementi hanno 5 elettroni esterni e solo 4 possono impegnarsi nei legami col Si. L’elettrone rimasto libero può muoversi ed originare una corrente elettrica Il silicio tipo N è quindi un buon conduttore. Gli elettroni hanno carica negativa, da qui il nome tipo N_egativo

6. Doping = drogaggio Impurità tipoP: Boro o Gallio. Questi elementi hanno solo 3 elettroni esterni Quando sono mescolati nel reticolo del Si formano delle “lacune”. La mancanza dell’elettrone determina un effetto di carica positiva da cui il nome tipo P_ositivo Una lacuna accoglie un elettrone proveniente dal vicinato dove lascerà però un’altra lacuna. In sostanza anche le lacune si spostano e quindi anche il silicio tipoP è un buon conduttore Una piccola quantità di dopaggio tipo P o N cambia quindi il Silicio da isolante a conduttore. Da qui il nome di semicondutore

7. se mettiamo insieme il Si tipoP col Si tipoN si ottiene un DIODO cioè un semiconduttore che permette il passaggio di corrente in un solo verso come i cancelletti del supermercato Gli elettroni negativi nel Si tipoN sono attratti dal polo positivo della batteria. Le lacune positive del tipoP sono attratte dal polo negativo della batteria Attaverso la giunzione P-N non passa corrente

8. Invertendo la batteria il diodo conduce corrente gli elettroni liberi del SitipN sono respinti dal polo negativo della batteria Le lacune positive del Si tipoP sono respinte dal polo positivo della batteria Alla giunzione P-N lacune ed elettroni si incontrano e si uniscono annullandosi reciprocamente e nuovi elettroni e lacune si formano dal materiale. L’effetto è un passaggio di corrente

9. L' effetto fotoelettrico rappresenta l'emissione di cariche elettriche negative, dette elettroni, da una superficie, solitamente metallica, quando questa viene colpita da una radiazione elettromagnetica avente una certa frequenza. Tale effetto, è stato fondamentale per comprendere la natura quantistica della luce. l’effetto fotovoltaico è una conseguenza di questa teoria fisica

10. Quando una radiazione elettromagnetica investe un materiale può cedere energia agli elettroni più esterni degli atomi del materiale e, se questa è sufficiente, l'elettrone risulta libero di allontanarsi dall'atomo di origine. L'energia minima necessaria all'elettrone per allontanarsi dall'atomo (passare quindi dalla banda di valenza che corrisponde allo stato legato più esterno alla banda di conduzione ove non è più legato) deve essere superiore alla banda proibita del materiale. Effetto fotovoltaico

11. Sia il Si_N che il Si_P sono elettricamente neutri (non ci sono ioni) Ponendo a contatto i due tipi, tra i due strati si attiva un flusso elettronico dalla zona n alla zona p che, raggiunto il punto di equilibrio elettrostatico, si determina un eccesso di carica positiva nella zona n, dovuto agli atomi di fosforo con un elettrone in meno, e un eccesso di carica negativa nella zona p, dovuto agli elettroni migrati dalla zona n. come funziona una cella solare

12. gli elettroni presenti nel silicio tipo n diffondono per un breve tratto nel silicio tipo p: il silicio tipo n si carica positivamente, quello di tipo p si carica negativamente e si crea inoltre una regione intermedia detta zona di svuotamento o di carica spaziale. Il risultato è un campo elettrico interno al dispositivo dell’ampiezza di pochi micrometri. Questo campo elettrico agisce come un diodo che lascia passare (spinge) gli elettroni dallo strato P allo strato N ma impedisce il percorso inverso

13. Il campo elettrico separa gli elettroni generati dall’assorbimento della luce dalle rispettive lacune, spingendoli in direzioni opposte (gli elettroni verso la zona n e le lacune verso la zona p). Una volta attraversato il campo, gli elettroni liberi non tornano più indietro, perché il campo, agendo come un diodo, impedisce loro di invertire la marcia. Illuminando la giunzione p-n dalla parte del silicio tipo n, si generano delle coppie elettrone-lacuna in entrambe le zone n e p.

14. Se si connette la giunzione p-n con un conduttore, nel circuito esterno si otterrà un flusso di elettroni che parte dallo strato n, a potenziale maggiore, verso lo strato p, a potenziale minore. Fino a quando la cella resta esposta alla luce, l'elettricità fluisce con regolarità sotto forma di corrente continua.

15. In sintesi la conversione da luce a energia elettrica effettuata dalla cella fotovoltaica avviene essenzialmente perché questi portatori di carica liberi (elettroni e lacune), generati dalla luce, sono spinti in direzioni opposte dal campo elettrico interno creato attraverso la giunzione di due semiconduttori drogati in modo diverso.

17. Di tutta l'energia che investe la cella solare sotto forma di radiazione luminosa, solo una parte viene convertita in energia elettrica disponibile ai suoi morsetti. L'efficienza di conversione per celle commerciali al silicio è in genere compresa tra il 13 % e il 17%,