Ormai è comune nello skyline di moltissime città, periferie e campagne. Il fotovoltaico è un sistema di produzione dell’energia che attraversa il nostro Paese, grazie alla sua capacità produttiva di energia “pulita” e di cui in Italia disponiamo in abbondanza: il sole.
Vediamo qui di seguito come funziona nel dettaglio la trasformazione dei fotoni solari in elettroni spendibili in un circuito, che poi produce materialmente elettricità.
Iniziamo dalla cella fotovoltaica
Una cella fotovoltaica, alla base dei pannelli solari, è un dispositivo semiconduttore che converte l’energia luminosa in energia elettrica attraverso l’effetto fotovoltaico.
Questo processo è fondamentalmente un’interazione tra fotoni e semiconduttori, che porta alla generazione di una corrente elettrica.
Cosa significa semiconduttore
Un semiconduttore è un materiale che ha una conducibilità elettrica intermedia tra quella di un conduttore (come il rame) e quella di un isolante (come il vetro). La conducibilità di un semiconduttore può essere modificata tramite doping (aggiunta di impurità) e variazioni di temperatura
Le celle fotovoltaiche sono generalmente costituite da materiali semiconduttori, tipicamente il silicio cristallino, un materiale molto abbondante in natura e dalle eccellenti proprietà elettroniche. Il silicio è dopato per creare una giunzione p-n, ovvero una regione di contatto tra silicio di tipo p (ricco di lacune) e silicio di tipo n (ricco di elettroni liberi).
Nella giunzione p-n, quando il materiale è in equilibrio termico, gli elettroni del lato n e le lacune del lato p si diffondono naturalmente verso la regione opposta, creando una zona di svuotamento. Questa zona di svuotamento genera un campo elettrico interno che gioca un ruolo fondamentale nella separazione delle cariche generate dall’energia luminosa.
L’effetto fotovoltaico
L’effetto fotovoltaico è il processo che permette la conversione della luce in elettricità. Capire come funziona il processo ci consente anche di capire come viene calcolato il rendimento di un pannello solare.
Quando un fotone colpisce il semiconduttore con sufficiente energia (superiore all’energia di gap del materiale, generalmente intorno a 1,1 eV per il silicio), viene trasferita energia agli elettroni presenti nel materiale.
Questi elettroni, inizialmente legati agli atomi del semiconduttore, assorbono l’energia del fotone e sono promossi dalla banda di valenza alla banda di conduzione, dove sono liberi di muoversi attraverso il materiale. Il risultato è la creazione di una coppia elettrone-lacuna: l’elettrone libero nella banda di conduzione e una lacuna nella banda di valenza.
La presenza della giunzione p-n e del campo elettrico generato nella zona di svuotamento permette la separazione delle cariche.
Immaginate gli elettroni mentre vengono spinti verso il lato n, mentre le lacune sono spinte verso il lato p.
Generazione della corrente elettrica
Una volta che le coppie elettrone-lacuna sono separate dal campo elettrico interno della giunzione p-n, gli elettroni si accumulano nel lato n e le lacune nel lato p. Questa separazione crea una differenza di potenziale tra i due lati del semiconduttore.
Collegando esternamente un circuito, gli elettroni nel lato n cercano di ricombinarsi con le lacune nel lato p. Questo movimento di cariche attraverso il circuito esterno genera una corrente elettrica continua (DC).
Il flusso di corrente è proporzionale alla quantità di fotoni assorbiti dalla cella e all’efficienza del processo di separazione delle cariche.
Concludiamo quindi con una nozione abbastanza intuibile: più sole c’è, e migliore è la qualità del pannello, più la vostra cella fotovoltaica produrrà energia.
