La cella fotovoltaica

Premessa,

inizio con questa mia breve presentazione, da un argomento fisico-chimico, che mi ha accompagnato ed interessato negli ultimi anni delle superiori,e per il quale ho sempre prestato interesse: la produzione di energia dal fotovoltaico.

Grazie all’attuale sviluppo dei sistemi fotovoltaici, per la conversione di energia solare in energia elettrica l’effetto fotovoltaico,nonostante la sua scoperta risalga a tempi ben più remoti ,è divenuto ben noto grazie alla cella fotovoltaica, quale mattonella di realizzazione dei ben noti pannelli fotovoltaici.

Dapprima va sottolineata la differenza fra l’effetto fotoelettrico e l’effetto fotovoltaico, entrambi esprimono una emissione di elettroni da una superficie sottoposta a radiazione elettromagnetica un flusso luminoso assorbito dal materiale, ora nell’effetto fotoelettrico si ottiene fra due elettrodi già sottoposti ad una tensione elettrica, mentre l’effetto fotovoltaico genera una differenza di potenziale su due elettrodi , dove in precedenza non era presente alcuna tensione o differenza di potenziale.

Un po’ di storia …

Fu grazie al fisico francese Edmond Becquerel (1820-1891) che nel 1839 rese noto l’effetto fotovoltaico presentato in una sua esperienza all’Accademia delle Scienze di Parigi in una sua “Memoria sugli effetti prodotti sotto l’influenza dei raggi solari”. Questo effetto venne in seguito ripreso da altri scienziati quali Heinrich Hertz, e nel 1876, da Willoughby Smith, William Adam e Richard Day, studiandone gli effetti su di un pezzo di selenio, arrivando alla conclusione che quelle “celle” così ottenute potessero convertire la luce in elettricità.
In seguito nel 1905 A. Einsten meglio comprese questo effetto fotovoltaico, al punto che nel 1921 ottenne il Premio Nobel per la fisica, poi nove anni dopo con W. Schotty misero le basi per la costruzione della prima cella solare, e questo sino a quando Chapi , Pearson e Fuller nei laboratori della Bell Telephone realizzarono la prima cella su materiale di silicio, siamo nel 1954 quando si ottenne una buona conversione di energia solare in energia elettrica.

Quattro anni dopo gli americani utilizzarono le celle solari per alimentare la trasmittente del satellite artificiale Vanguard1  ancora in orbita .
La capacità di convertire energia luminosa in energia elettrica in maniera statica, ovvero senza parti in movimento, è senz’altro stato un elemento determinante perché venissero sfruttate in impianti fotovoltaici nel settore spaziale, o per utilizzi in aree geograficamente remote.

Tipologie di celle fotovoltaiche…

Ad oggi le celle fotovoltaiche possono essere suddivise in tre categorie.
Le celle fotovoltaiche Monocristalline,  in cui il materiale per la loro realizzazione è il silicio più pregiato o di maggior purezza, presenta il reticolo cristallino di silicio di tipo regolare ; questa caratteristica rende la cella fotovoltaica con alto rendimento (intorno al 20%). Si caratterizzano per il loro colore bluastro, ed un costo elevato rispetto alle altre tipologie. Si possono ottenere circa 200 W di energia elettrica con 1000 W (luce solare in una normale giornata assolata) di energia luminosa con un metro quadro di cella fotovoltaica di tipo monocristallino.
Le celle fotovoltaiche in policristallino, utilizzano un silicio di purezza e di grado inferiore alle precedenti, pertanto hanno un rendimento inferiore (intorno al 15%), sono di colore blu con riflessi in argento.
Il terzo tipo di cella, quella in silicio amorfo, è ottenuta depositando il materiale di silicio (silico amorfo a-Si) su di un supporto isolante, per formare i pannelli fotovoltaici di vario taglio, questa tecnica rende possibile la realizzazione di celle fotovoltaiche e quindi di pannelli flessibili, e non rigidi come i due tipi precedenti. Si presentano in un colore variabile dal blu all’azzurro fino al trasparente, ed hanno un rendimento che può arrivare fino al 10%, risultano essere più economiche.
Il silicio amorfo è una forma non cristallina del silicio, e presenta il vantaggio di poter essere depositato su grandi superfici in ambito produttivo di celle fotovoltaiche.

celle pv

Come funziona una cella fotovoltaica …in breve…

E’ noto come la cellula fotoelettrica sia realizzata con materiale di tipo semiconduttore quale il Silicio del quale si sfruttano le sue caratteristiche fisiche .

silicio

Il silicio ha quattro elettroni di “ valenza”, ovvero quelli appartenenti all’orbita esterna dell’atomo, quindi in grado di legarsi con altri elettroni di valenza di altri atomi di silicio. Ora attraverso il “drogaggio” ( aggiunta di altro elemento tipo boro) in una zona di silicio si ottiene uno strato detto di tipo “P” in quanto ha meno elettroni di valenza del silicio, questo strato viene accoppiato con un altro stato drogato con atomi che hanno più elettroni di valenza (esempio con il fosforo) e si realizza così uno strato di tipo “N”, l’unione di questi due strati di tipo P ed N realizza una “giunzione di tipo PN” nota con il nome di “diodo”, quando la giunzione è colpita da un flusso luminoso, molti elettroni di valenza si staccano dal legame con altri atomi di silicio e raggiungono un livello energetico alto, detto “banda di conduzione” contribuendo cosi ad un flusso elettrico unidirezionale, cioè si realizza la generazione di corrente elettrica.

STRUTTURA CELLA

Caratteristiche elettriche della cella fotovoltaica…

Una cella fotovoltaica è costituita da materiale semiconduttore in una giunzione di tipo P-N, in sostanza è un diodo, che per funzionare non ha bisogno di essere polarizzato, ma se colpito da un flusso luminoso, produce energia elettrica.
La cella fotovoltaica lavora nel quarto quadrante della curva caratteristica, il che equivale ad avere tra anodo (A) e catodo (K) una tensione positiva (Vd) ed un’intensità di corrente negativa (Id), la corrente così prodotta è una corrente inversa, in quanto va dal lato N verso il lato P, contrariamente alla Id del diodo alla quale si sottrae; quando la cella è investita da un flusso luminoso sui suoi terminale si ottiene una differenza di potenziale (ddp), con la quale circolerà un’intensità di corrente se sui terminali sarà collegato un generico utilizzatore, pertanto la tensione e la corrente sono parametri caratteristici di una cella fotovoltaica.

caratteristica I V di una cella

Il funzionamento di una cella fotovoltaica è, caratterizzato da una tensione Voc (open circuit) ovvero tensione a vuoto ( senza alcun utilizzatore collegato ) che varia con il logaritmo del flusso luminoso, e da una corrente di corto circuito Isc (short circuit current) che varia in maniera lineare con il flusso luminoso che interessa la cella.
Mentre la potenza elettrica misurata in watt è indicata con Wp ovvero watt di picco, dati dall’espressione

\(W_{p} = V_{p} x I_{p}\)

Si considerano i watt di picco in luogo dei watt per la misura di Potenza, in quanto la cella varia la sua intensità di corrente in funzione del flusso luminoso, infatti per la misura della Potenza di picco avviene illuminando la cella con un flusso luminoso di 1000 W per metro quadro, valore tipico di irradiazione solare in una giornata con cielo limpido.

Il circuito equivalente.

..di una cella fotovoltaica , equivale ad un circuito in cui è presente un generatore di corrente , ovvero quella generata per effetto fotovoltaico, un diodo che descrive la ricombinazione interna alla cella fotovoltaica, ed una resistenza Rs che sta ad indicare la resistenza dei due strati di silicio e la resistenza dei reofori di collegamento, ovvero la resistenza parassita, mentre la resistenza shunt indicata con Rp sta a rappresentare le perdite dovute alle correnti di dispersione che si richiudono internamente alla cella, ed U rappresenta l’utilizzatore di energia elettrica.

circuito equivalente cella fotovoltaica

L’espressione che esprime il valore dell’intensità di corrente generata vale

espressione I generata

Dove
Ipv è la corrente generata dalla cella,

Isat corrente inversa di saturazione dipende dal materiale e dalla temperatura, q carica dell’elettrone,

N fattore di idealità (1-2),

K costante di Boltzman,

T è la temperatura in °K della cella.

La procedura di calcolo dell’intensità di corrente generata nel circuito equivalente attraverso la considerazione delle equazioni ai nodi di Kirchhoff,è stata volutamente saltata,vuoi per non appesantire la “semplice” presentazione, vuoi per “rimandare al prof. volenteroso e competente”.

Si è voluto con questa breve esposizione presentare, il mattone fondamentale” (cella fotovoltaica) dei pannelli fotovoltaici, che sono oggi diventati uno degli elementi portanti della produzione di energia elettrica alternativa, ai mezzi convenzionali ben noti da tempo, pertanto conoscere un pochino le celle fotovoltaiche aiuta a capire la semplicità di produzione che sta dietro il fotovoltaico, fermo restando che le celle solari sono solo uno dei possibili modi di impiego di questi dispositivi, che sono presenti sul mercato e nel settore tecnologico da tempo, ad esempio come i ben noti “fotorivelatori”, ovvero i fotodiodi, le fotoresistenze, i fototransistor, i sensori CCD, e non dimentichiamo i diodi led che funzionano si al contrario della cella fotovoltaica ovvero emettono luce quando polarizzati da una tensione, ma sfruttano lo stesso principio, e se vogliamo sono anche reversibili … e su questo ci torneremo con una trattazione pratica di questa “reversibilità” del diodo led … 😉

Riferimenti:

si è utilizzato come riferimento il sito Wikipedia nelle voci specifiche come link inseriti nell’esposizione.

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Un commento su “La cella fotovoltaica

  1. KirkadminKirkadmin il said:

    Veramente interessante e completo, anche nei dettagli, l’articolo che hai appena pubblicato, degno di un grande studioso che ha sempre messo in primo piano la passione per la fisica e la chimica. Complimenti e grazie per la collaborazione. LVeP a te Akira

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