IL FOTOVOLTAICO E L ARCHITETTURA

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1 IL FOTOVOLTAICO E L ARCHITETTURA Prof. Paolo ZAZZINI Ing. Nicola SIMIONATO

2 COME FUNZIONA UNA CELLA FOTOVOLTAICA EFFETTO FOTOVOLTAICO: Un flusso luminoso che incide su un materiale semiconduttore opportunamente drogato genera un movimento di elettroni grazie al quale l energia luminosa incidente si trasforma in energia elettrica Effetto fotoelettrico: i fotoni incidenti possono, nell urto, fornire agli elettroni più esterni degli atomi del semiconduttore energia sufficiente per staccarsi dal nucleo di appartenenza ed essere disponibili per trasportare energia Il principio fisico alla base del funzionamento di una cella fotovoltaica (effetto fotoelettrico) fu scoperto per primo da un fisico italiano Augusto Righi nel 1888 e formulato matematicamente da Einstein circa vent anni più tardi

3 MODELLO DELL ATOMO secondo BOHR Modello superato ma sufficientemente descrittivo del meccanismo Interazione nucleo elettrone: equilibrio tra forze elettrostatiche attrattive (coulombiane) e centrifughe (dovute alla velocità di rotazione dell elettrone). In un atomo isolato equilibrio possibile solo su alcune orbite (livelli di energia) secondo le leggi di Planck In un cristallo o in un materiale con numerosi atomi le orbite di atomi vicini si influenzano a vicenda e creano bande in cui è possibile trovare gli elettroni Banda più distante dal nucleo: di valenza All esterno della banda di valenza c è la banda di conduzione, dove si trovano gli elettroni liberi

4 Gap di energia tra le bande di valenza e di conduzione Energia 1,2 ev 5 ev Conduttore Parziale sovrapposizione: passaggio di elettroni senza incrementi di energia Silicio (semiconduttore) Situazione intermedia Isolante Elevato gap di energia che separa le due bande energia cinetica di un elettrone sottoposto ad un campo elettrico uniforme sotto l'azione della differenza di potenziale di 1 Volt.

5 Elettrone libero Nei semiconduttori (piccolo salto di energia): L elettrone, ricevendo energia dai fotoni, può saltare dalla banda di valenza a quella di conduzione diventando LIBERO (staccato dall atomo di origine) Salto più facile a più elevata temperatura. Silicio: gap di energia = 1,12 ev 1,12 ev: minima energia che deve avere il fotone radiazioni efficaci: l < 1,1 mm L eventuale eccesso di energia viene dissipato

6 Drogaggio p ed n La creazione di un elettrone libero genera nell atomo una lacuna (carica positiva) L elettrone libero si muove sollecitato dai campi elettrici In un semiconduttore illuminato si generano continuamente elettroni liberi e lacune. E necessario evitare che elettrone e lacuna si ricombinino emettendo luce (effetto LED) Drogaggio di tipo p (elettrone in difetto) e drogaggio di tipo n (elettrone in eccesso) producono un campo elettrico in grado di tenere separati elettroni e lacune

7 Es. SILICIO valenza 4 Drogaggio tipo n fosforo (P) valenza 5 Drogaggio tipo p boro (B) valenza 3 Silicio tetravalente Cristallino stabile con legami covalenti tra cinque atomi di silicio Drogaggio di tipo n: l'atomo drogante ha un elettrone in più di quelli necessari per soddisfare i legami del reticolo cristallino e tale elettrone diventa libero di muoversi all'interno del semiconduttore. Drogaggio di tipo p: l'atomo drogante ha un elettrone in meno di quelli necessari per soddisfare i legami tale lacuna si comporta come una particella carica positivamente e si può muovere all interno del semiconduttore

8 Moto di elettroni e lacune Il moto reale degli elettroni genera un moto fittizio delle lacune: l elettrone che nel suo moto va a riempire una lacuna di un atomo vicino crea una lacuna nell atomo di provenienza dando luogo ad uno spostamento di carica positiva (lacuna) Gli atomi drogati p ed n sono entrambi neutri ma hanno cariche mobili, rispettivamente positive e negative (n elettroni = n protoni) Se i due materiali drogati sono posti a contatto le cariche mobili si uniscono nella zona di giunzione, lasciando, nei rispettivi materiali presso la giunzione, regioni non più neutre: dove c era un elettrone in più c è ora un protone in più nel nucleo del materiale drogante e dove c era un elettrone in meno c è ora un protone in meno nel nucleo del materiale drogante Il materiale di tipo n si caricherà positivamente e quello di tipo p si caricherà negativamente

9 Giunzione pn All equilibrio si crea un campo elettrico alla giunzione di minimo spessore (1 mm) ma di intensità elevatissima (10000 V/cm) che tiene fortemente separate le zone rimaste con cariche mobili n e p Regione P Regione N Se a questo punto il materiale viene irraggiato si liberano elettroni nella regione di tipo P separando coppie elettronelacuna. Per effetto del forte campo elettrico l elettrone viene spinto nel materiale di tipo n mentre la lacuna viene spinta nel materiale di tipo p. Non è possibile infatti una immediata ricombinazione elettrone lacuna perché il campo elettrico intenso tiene separate le lacune dagli elettroni

10 La forte concentrazione di cariche positive da una parte e negative dall altra costituisce la differenza di potenziale che genera la corrente elettrica Flusso di elettroni Regione P Regione N Collegando un circuito ai capi dei due elementi gli elettroni si muoveranno verso la piastra caricata positivamente fluendo nel conduttore

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