Applicazioni dell’Effetto Fotovoltaico
Nell’ambito delle applicazioni fotovoltaiche, la radiazione prevalente è la luce solare, rendendo i dispositivi noti come celle solari. Oggi, l’energia solare è una delle fonti energetiche più accessibili sul mercato. Questa può fornire elettricità in luoghi non collegati alla rete elettrica. Le fonti di energia rinnovabile stanno guadagnando popolarità grazie alla riduzione dei costi dei moduli PV negli ultimi cinque anni e, in confronto ad altre fonti energetiche, presentano una minore inquinamento.
Le celle solari sono composte da materiali semiconduttori. Una cella PV genera corrente continua (DC) da questi semiconduttori quando sono irradiati da fotoni. Una tipica cella solare a giunzione singola in silicio può produrre una tensione a circuito aperto massima di circa 0,5 a 0,6 volt. Le celle solari sono solitamente collegate in serie per creare una tensione additiva. Collegandole in parallelo si ottiene una corrente maggiore. Più celle solari in un gruppo integrato, tutte orientate sullo stesso piano, costituiscono un pannello o modulo fotovoltaico solare. La tensione a circuito aperto tipica di un pannello solare da 300 watt dovrebbe essere di circa 39 volt e la corrente di cortocircuito dovrebbe essere di 8,33 ampere in un angolo perfetto e sotto piena luce solare. La loro durata può raggiungere i 20-30 anni.
Effetto Fotovoltaico
L’effetto fotovoltaico è un processo fotoelettrico che genera tensione o corrente elettrica in una cella fotovoltaica quando è esposta alla luce solare. In un dispositivo fotovoltaico, i fotoni vengono convertiti in elettricità. Il processo coinvolge la generazione di portatori di carica attraverso l’assorbimento di fotoni, la loro separazione e trasporto, e infine la loro raccolta agli elettrodi.
Assorbimento dei fotoni. Inizialmente, i fotoni della luce solare colpiscono il pannello solare e vengono assorbiti dai materiali semiconduttori. La loro energia viene trasferita a un elettrone nella struttura cristallina. Se l’energia è superiore all’energia di legame dell’elettrone, questo viene liberato nel nastro di conduzione, dove può muoversi liberamente all’interno del semiconduttore. Ciò risulta nella generazione di coppie elettrone-lacuna.
Separazione dei portatori di carica. La cella solare più conosciuta è configurata come una giunzione p-n di grande area (struttura semiconduttore con campo elettrico incorporato) realizzata in silicio. In modo semplificato, si può immaginare di mettere in contatto diretto uno strato di silicio di tipo n con uno di tipo p. A causa della configurazione della giunzione p-n e dei materiali delle celle solari, gli elettroni possono muoversi solo in una direzione. La struttura elettronica dei
materiali è fondamentale per il funzionamento del processo, spesso utilizzando silicio integrato con piccole quantità di boro o fosforo in diversi strati. L’elettrone viene spinto da questo campo verso il lato n e la lacuna verso il lato p.
Raccolta e ricombinazione dei portatori di carica. Gli elettroni creati sul lato di tipo n, raccolti dalla giunzione e spinti sul lato di tipo n, possono viaggiare attraverso il filo, alimentare il carico e continuare nel filo fino a raggiungere il contatto semiconduttore-metallo di tipo p. Qui, si ricombinano con una lacuna creata come coppia elettrone-lacuna sul lato di tipo p della cella solare, o una lacuna trasportata attraverso la giunzione dal lato di tipo n dopo essere stata creata lì. Un array di celle solari converte l’energia solare in una quantità utilizzabile di elettricità in corrente continua (DC). La tensione misurata è uguale alla differenza nei livelli quasi-Fermi dei portatori di maggioranza (elettroni nella parte di tipo n e lacune nella parte di tipo p) ai due terminali.
Conclusioni
L’effetto fotovoltaico rappresenta una soluzione energetica promettente e sostenibile, essendo una tecnologia chiave per l’approvvigionamento di energia rinnovabile. La sua applicazione in diversi settori, dalla generazione di elettricità in aree remote all’integrazione in edifici e veicoli, mostra il suo ampio potenziale. Con l’avanzamento tecnologico e la riduzione dei costi, il futuro dell’energia solare appare sempre più luminoso, sottolineando il suo ruolo cruciale nella transizione energetica verso fonti più pulite e sostenibili.