Come funziona un pannello Fotovoltaico

Nei pannelli solari fotovoltaici ha luogo la conversione della radiazione solare in energia elettrica. Come avviene? Il flusso luminoso proveniente dal Sole investe il materiale semiconduttore del pannello solare, normalmente realizzato utilizzando il silicio.

Il funzionamento del pannello solare.

 Elettroni, corrente elettrica,Gli atomi di silicio del pannello solare compongono un reticolato cristallino tridimensionale di forma tetraedrica in cui ognuno di essi mette in comune uno dei suoi quattro elettroni di valenza. L’elettrone in comune è quello con orbita più esterna mediante il quale avviene la conduzione elettrica. Gli altri tre elettroni con orbita più interna sono invece fortemente legati al nucleo dell’atomo e non partecipano alla conduzione.

Allo stato normale gli elettroni esterni si trovano in una fase di valenza e non dispongono dell’energia sufficiente per condurre elettricità. Quando ciò si verifica l’elettrone passa dalla banda di valenza a quella di conduzione ed è libero di muoversi all’interno del reticolato grazie alla stretta vicinanza degli altri atomi di silicio. Nel passaggio di banda lascia dietro di sé una lacuna. Il movimento degli elettroni esterni in banda di conduzione e delle relative lacune continua fin quando è presente l’irraggiamento solare.

Nella foto il flusso di elettroni liberati (in verde) produce elettricità.

In realtà affinché i semiconduttori come il silicio sviluppino corrente elettrica si dice che vengono drogati.

 

Drogaggio silicio, tipo N, tipo P, corrente elettrica, elettroniIl drogaggio avviene in due modi, definiti di “tipo N” e di “tipo P”. Essendo il silicio un materiale con quattro elettroni di valenza, il drogaggio di tipo N, avviene sostituendo alcuni dei suoi atomi con altri atomi di materiali che hanno cinque elettroni di valenza (chiamati pentavalenti). Ciò vuol dire che ho un elettrone in più rispetto al silicio. Ovviamente si aggiunge un elettrone in più per ogni atomo sostituito, quindi questo aumento di elettroni crea un nuovo livello energetico tra la banda di valenza e la banda di conduzione, ovvero nell’Energy gap (banda proibita), più vicino alla banda di conduzione.

Ciò permette alle cariche di passare dalla banda di valenza alla banda di conduzione acquisendo un quantitativo energetico minore rispetto a prima. Ho cosi permesso un movimento di cariche, definito “corrente di elettroni“. Comunque sia tale tipo di corrente si trova sempre nella banda di conduzione, come è per i conduttori.

Però bisogna stare attenti al materiale pentavalente che si utilizza, in quanto deve rispettare il passo reticolare del silicio (ovvero la distanza interatomica, tra un atomo e l’altro), altrimenti si viene a creare uno stress nel silicio che genera degli stati trappola tra i livelli energetici, dove gli elettroni entrano ma non ne escono più.

Banda energetica dei semiconduttori, banda energetica, tipo N, tipo PPer quanto riguarda invece il drogaggio di tipo P per il silicio, si effettua con materiali di tipo trivalenti, ovvero con tre elettroni di valenza. Quindi si ha un elettrone in meno rispetto al silicio. Ciò vuol dire che ho un buco, definito “lacuna” (o vacanza). Quindi se un elettrone, per energia termica, si stacca dal suo atomo si può spostare nella lacuna libera. Quindi, ipoteticamente, se un elettrone va verso sinistra, la lacuna va verso destra.

Ho così ottenuto un nuovo movimento di cariche definito “corrente di lacune“. Questo tipo di corrente, però, si ha nella banda di valenza, cosa che non è possibile per i conduttori, in quanto in essi si ha movimento di cariche solamente in banda di conduzione. Tale drogaggio crea anch’esso un nuovo livello energetico nell’Energy gap, ma stavolta più vicino alla banda di valenza.

 

La differenza con i materiali conduttori e isolanti.

I materiali conduttori possiedono elettroni esterni appartenenti alla stato di valenza e di conduzione. Per questa ragione conducono ottimamente l’elettricità. Le due bande sono sostanzialmente sovrapposte. Al contrario, i materiali isolanti hanno la banda di conduzione molto distante da quella di valenza.

I semiconduttori.

Nei semiconduttori, come il silicio, gli elettroni sono allo stato di valenza (come nei materiali isolanti) ma la distanza con la banda di conduzione è minima. E’ quindi possibile che un elettrone esterno passi temporaneamente dalla banda di valenza a quella di conduzione. Ciò avviene quando l’elettrone è investito da un flusso luminoso in grado di liberare gli elettroni più esterni. Per ogni elettrone passato alla banda di conduzione si lascia libera una lacuna nella banda di valenza. Come l’elettrone nella banda di conduzione anche la lacuna tende a spostarsi nella banda di valenza per effetto del campo elettrico comportandosi come una carica positiva.

Come funziona un pannello Fotovoltaicoultima modifica: 2011-06-27T21:22:00+02:00da glarocca
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