Figura V.5.3. Differenze tra metalli, semiconduttori e isolanti.

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1 Approfondimento 1. Semiconduttori e isolanti. Nella Figura V.2.3 sono mostrate le differenze generiche tra i livelli a 0 K tra i metalli, i semiconduttori e gli isolanti. Figura V.5.3. Differenze tra metalli, semiconduttori e isolanti. Si può notare che negli isolanti a. Il numero di livelli energetici disponibili nella banda di valenza coincide esattamente con il numero di elettroni (per ogni atomo). b. La banda di conduzione è completamente vuota, ma l intervallo (gap) fra le due bande è cospicuo e gli elettroni non possono essere attivati fino a salire nella banda di conduzione. c. Gli elettroni non hanno quindi livelli energetici disponibili sui quali muoversi. d. Questi materiali presentano resistenze elevatissime e di fatto non conducono l elettricità: 4

2 Figura V.5.4. Esempio del Silicio (terza riga, Gruppo IV del Sistema periodico). 5

3 Approfondimento 2. Nei semiconduttori invece a. Il gap di energia tra banda di valenza e banda di conduzione è relativamente limitato (2 3 ev). b. E possibile quindi il salto dell elettrone alla banda di conduzione lasciando una lacuna in banda di valenza. c. Quando l energia necessaria per il salto è disponibile, il materiale si comporta da conduttore. d. Un semiconduttore con un gap di energia fino a 0.5 ev, quando è esposto alla radiazione luminosa, aumenta la sua conduttività. Esso cioè è fotosensibile. I semiconduttori possono essere a) di tipo intrinseco. b) sostanze isolanti possono diventare semiconduttori per aggiunta di opportune impurezze (droganti) che possono essere di tipo n o di tipo p. Un esempio di semiconduttore intrinseco è lo stagno grigio: il gap di energia tra le due bande in tal caso è di solo 0.1 ev. Invece Carbonio, Silicio e Germanio (II, II e IV riga rispettivamente) sono degli isolanti. Figura V.5.5. Gap di energia per gli elementi puri del Gruppo IV del Sistema Periodico. Nei semiconduttori intrinseci degli elettroni possono essere attivati dalla temperatura o da radiazioni elettromagnetiche (visibili o U.V.) e saltare nella banda di conduzione, creando delle lacune positive all interno della banda di valenza. Il livello di Fermi in questo caso si colloca a metà del gap fra le due bande. 6

4 La conducibilità totale è data dalla somma delle due mobilità μ degli elettroni e delle lacune: k = n n z - μ n + n p z + μ p dove i pedici n e p indicano gli elettroni e le lacune positive rispettivamente. Figura V.5.6 Distribuzione di Fermi per un semiconduttore intrinseco. Nei semiconduttori drogati (estrinseci) la presenza di impurezze del V o del III Gruppo comporta la presenza di un eccesso o di un difetto rispettivamente di elettroni nel reticolo cristallino dell elemento del IV Gruppo. Ad esempio il Fosforo introdotto nel reticolo del silicio si comporta come uno ione Si. La dispersione non è perfetta. Si creano dei livelli intermedi nei quali è possibile, con poca energia, il salto degli elettroni nelle vicine bande di conduzione vuote. A sua volta l atomo di Boro nel reticolo del Silicio si comporta come se fosse uno ione Si +. L effetto è quello di produrre lacune e di creare livelli di energia leggermente sfalsati poiché la dispersione non è perfetta. 7

5 Figura V.5.7 Diagrammi energetici di due semiconduttori drogati rispettivamente p ed n. L effetto delle impurezze introdotte è quello di aumentare enormemente la conduttività dei semiconduttori e di regolarne il tipo. Infatti si generano nel semiconduttore drogato di tipo p dei livelli accettori in prossimità della banda di valenza dove possono transitare e muoversi le lacune positive. Nel semiconduttore di tipo n a sua volta si creano dei livelli molto prossimi alla banda di conduzione che ospitano l eccesso di elettroni del drogante 5 +. Il livello di Fermi si situa immediatamente al di sotto di questi livello donatore; basta l attivazione termica per consentire agli elettroni di saltare nella banda di conduzione. 8

6 Approfondimento 3. Effetto Fotovoltaico Quando si accoppiano due elementi di Silicio o di Germanio drogati uno p e l altro n, si genera una omogiunzione p-n. La giunzione può essere creata anche facendo diffondere i due elementi droganti a partire dalle due facce opposte di un unico pezzo sottile. All atto della giunzione si genera all interfaccia una differenza di potenziale elettrico dovuta alla differente diffusibilità o fugacità degli elettroni nei due materiali. Subito dopo questo periodo transiente la differenza di potenziale creatasi impedisce l ulteriore passaggio di altri elettroni dal materiale drogato n e si stabilisce un equilibrio dinamico. I livelli di Fermi si eguagliano e ciò introduce una differenza di potenziale di contatto la cui energia è pari alla differenza eφ fra i livelli di Fermi preesistenti. (Figura V.5.8). Figura V.5.8 Schema qualitativo delle distribuzioni di Fermi in due elementi p e n separati e poi accoppiati. 9

7 In pratica si realizza un diodo o valvola che, inserito in un circuito, consente il passaggio di un flusso di elettroni, generato da una forza elettromotrice esterna, solo in direzione n--> p mentre in senso opposto si ha una polarizzazione. La circolazione di elettroni in senso inverso può verificarsi solo applicando una f.e.m. prevalente rispetto alla polarizzazione dell interfaccia. Convenzionalmente il potenziale elettrico e l energia potenziale di un elettrone hanno andamenti opposti (Figura V.5.9). Figura V.5.9 Doppio strato all interfaccia di una giunzione p n. La giunzione può esercitare una funzione di rettificazione: nella Figura V.2.10 (a) è mostrata la situazione allo stabilirsi dell equilibrio; in (b) quando viene applicata una differenza di potenziale concordante con la polarizzazione formatasi (in tal caso la corrente, dovuta sia al flusso di elettroni che a quello opposto di lacune, è proporzionale al voltaggio applicato dall esterno); in (c) infine è 10

8 mostrata la situazione in cui la f.e.m. esterna è applicata in senso opposto alla polarizzazione della giunzione: in tal caso non si ha passaggio apprezzabile di trasportatori attraverso la giunzione finché la f.e.m. applicata è inferiore al potenziale di polarizzazione. Quando la f.e.m. è prevalente sulla polarizzazione gli elettroni attraversano la barriera di potenziale per effetto tunnel e si ha l apparire di un vistoso flusso di corrente inversa. Ciò è alla base del funzionamento del diodo Zener (U.F. V.1.1). Figura V.5.10 Diagramma a bande di una giunzione p n: 11

9 Effetto fotovoltaico Se il materiale è fotosensibile nel campo del Visibile o dell U.V., l assorbimento di un fascio di fotoni fa sì che un certo numero di elettroni salti la barriera di potenziale, risalendo da un livello accettare a quello donatore e di qui alla banda di conduzione. Il gap fra i due livelli donatore e accettare è abbastanza più piccolo di quello fra le bande del materiale puro. Così la corrente può fluire nel circuito, chiuso da un utilizzatore. La radiazione solare diventa essa stessa la sorgente che consente il passaggio di corrente (Figura V.5.11). Si noti chesolo una frazione limitata di fotoni sono efficaci nel promuovere gli elettroni nella loro scalata(rendimento quantico). Figura V.5.11 Diagramma a bande in atto per una cella fotovoltaica a giunzione p n: 12

10 Approfondimento 4. Celle e pannelli per il fotovoltaico. Nelle figure V.5.12 V.5.13 è mostrata la struttura di un singolo elemento o cella di un pannello fotovoltaico: nella faccia superiore vi è una griglia metallica a pettine per consentire la raccolta del flusso di elettroni senza ostacolare molto l illuminazione solare. Vi è anche uno sottile lastra di vetro o plastica trasparente per la protezione dalla polvere e altri agenti atmosferici. La faccia inferiore è invece connessa con una lamina metallica e il circuito si chiude attraverso un utilizzatore a corrente continua oppure la manda ad un capace accumulatore che consente il riutilizzo dell energia nei periodi di oscurità. L utilizzo invece di un inverter (dispositivo elettronico a bassa dispersione di energia) che trasforma la tensione continua in una ciclica alternata a 50 Hz, amplifica la tensione a Volt e la stabilizza, permette l utilizzo dell energia elettrica da parte di un motore o di elettrodomestici che normalmente funzionano a corrente alternata. Infine il sistema tramite l inverter può essere connesso direttamente con la rete di distribuzione (figura V.2.13). Più celle vengono organizzate in un pannello e molti pannelli costituiscono un campo. I più grandi in funzione Italia meridionale sono i campi di Serre in Campania e di S.Margherita di Savoia (Delphos) in Puglia. Pannelli singoli vengono utilizzati, accoppiati con un accumulatore, per l illuminazione stradale senza far ricorso a collegamenti on la rete. E molto delicata l orientazione rispetto al sole ed è necessario l accoppiamento con grossi impianti di accumulo dell energia per gli impianti isolati, altrimenti si deve poter immettere in rete il surplus di corrente non utilizzata localmente. Per gli impianti a terra si può dotare ogni gruppo di pannelli di un motore e di un sistema di controllo dell inclinazione e di basculamento orizzontale ad inseguimento per offrire la migliore orientazione rispetto al Sole. L orientazione è regolata da un sensore che insegue la posizione del Sole. 13

11 Figura V Schema di una cella (wafer) fotovoltaica. 14

12 Figura V Struttura del wafer. Figura V Pannello a più elementi e connessioni con gli utenti. 15

13 Figura V Impianto fotovoltaica Delphos presso Manfredonia (FG). 16

14 Materiali. Il materiale di base più utilizzato è il silicio cristallino che viene preparato in camere sterili per lenta crescita e poi tagliato in sottili lamelle che vengono sottoposte al processo di doppio drogaggio. Silicio di qualità superiore è ottenuto per lenta ossidazione di silano, SiH 4, e deposizione del materiale ottenuto. Tracce di fosfina PH 3 o invece di idruro di boro BH 3, ossidati assieme al silano, possono fornire direttamente per cristallizzazione i semielementi drogati da accoppiare poi per ottenere il wafer. Nel caso del Germanio gli elementi droganti possono essere l arsenico As V e lo stesso Boro, più raramente alluminio Al III. E anche molto diffuso il silicio amorfo, preparato più facilmente e rapidamente per fusione controllata. E molto più economico, ma ha vita media più breve a causa delle tensioni interne al materiale che possono portare a rottura per le continue sollecitazioni da radiazioni elettromagnetiche. Grandi prospettive si stanno aprendo per il Fotovoltaico a concentrazione che consente grande risparmio di materiale. Al posto della lamina piatta di protezione si utilizza una lente focalizzatrice che concentra i raggi solari su di una superfice molto più piccola di materiale fotosensibile. Si spera di superare il % di efficienza. I materiali a base di Silicio e Germanio utilizzano prevalentemente i fotoni nello spettro del visibile della radiazione solare, che sono di gran lunga i più abbondanti, ma anche quelli del vicino U.V.. Materiali fotosensibili prevalentemente nell U.V. sono in genere molto più costosi e anche se possono sfruttare fotoni più energetici, con un rendimento quantico più elevato, sono in parte penalizzati dalla minore numerosità dei fotoni stessi (vedi U.F. III.2). In Tabella V.2.1 sono riportati diversi composti sperimentati finora. 17

15 Tabella V.5.1 Proprietà a 20 C dei semiconduttori più comuni. Materiale Gap di Energia E g J ev Conduttività Intrinseca Ohm -1 m -1 Elementi C (diamante) <10-16 Silicio x10-4 Germanio Stagno (grigio) Composti AlSb GaP GaAs GaSb InP InAs InSb ZnS SiC (esagonale)

16 Applicazioni nel campo dell edilizia. Oltre alla possibilità di utilizzare tetti, terrazze, balconate e viali e piazze non alberati per sistemare i pannelli, la possibilità di legare il materiale fotosensibile a della plastica flessibile e/o trasparente può consentire di sfruttare infissi, finestre e motivi architettonici con piacevoli effetti ottici negli edifici. Figura V.5.16 e 5.17 Fotovoltaico nell edilizia. 19

17 Applicazioni nel campo dei trasporti. Ricoperture per tetti di automobili camion, battelli sono ampiamente sperimentati. Anche l energia necessaria auto da corsa, moto e persino aerei ultraleggeri sono stati equipaggiati con batterie di Pannelli fotovoltaici. Figura V.5.17 e 5.18 Fotovoltaico nei trasporti: prototipi di automobili ad energia solare. 20

18 Figura V Fotovoltaico nei trasporti: prototipo di motociclo ad energia solare. Figura V.5.20 e 5.21 Fotovoltaico nei trasporti: Locomotiva E delle FS utilizzata per il progetto PV-Train. 21

19 Figura V.5.22 e 5.23 Fotovoltaico nei trasporti: Helios e Solar Impulse, due prototipi di aerei ultraleggeri. 22