ESPERIENZA N 8: UNA CELLA SOLARE CASALINGA PROPRIETÀ E APPLICAZIONI:

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1 ESPERIENZA N 8: UNA CELLA SOLARE CASALINGA PROPRIETÀ E APPLICAZIONI: La cella solare è un spositivo per la trasformazione energia luminosa in energia elettrica. L applicazione più nota questi tipi spositivi sono i pannelli solari per la produzione domestica energia elettrica. Un altro esempio è costituito dai lampioni fotovoltaici, che si usano lungo le strade in zone non elettrificate. Tali spositivi si avvalgono delle proprietà un importantissimo semiconduttore intrinseco come il silicio monocristallino Altri semiconduttori, anche se meno efficaci del silicio, possono essere impiegati allo stesso scopo. Un semiconduttore intrinseco è un materiale struttura cristallina, che a temperatura ambiente si comporta come un isolante e pende molto dalla temperatura (l orne grandezza della resistenza un semiconduttore va da 10-2 a 10 9 ohm cm, intermea fra quella dei buoni conduttori 10-6 ohm cm- e quella degli isolanti - da10 14 a ohm cm - ). La caratteristica questo tipo sostanza è che, qualora sottoposta all azione una raazione elettromagnetica o ionizzante in generale, si comporta come un conduttore. Inserendo nella struttura cristallina un semiconduttore impurità particolari elementi (per esempio atomi boro nel cristallo silicio), si aumenta molto la sua conducibilità, e si avrà un semiconduttore non più intrinseco, ma drogato. Il semiconduttore che sarà impiegato in questa esperienza è l ossido rame Cu 2 O, che è possibile produrre sotto gli occhi degli studenti. Il spositivo attraverso il quale si avrà la trasformazione energetica (raante elettrica) è una cella elettrochimica. L'esperienza che ci proponiamo effettuare si occupa del principio fisico che determina il funzionamento una cella solare ed ha il vantaggio poter essere realizzata interamente dall'esecutore, senza doversi avvalere spositivi già tarati e funzionanti, il cui utilizzo non permetterebbe all'allievo addentrarsi sufficientemente nelle problematiche relative alla descrizione dei fenomeni fisici che costituiscono i fondamenti e la spiegazione del loro funzionamento. Essa è costituita da due elettro immersi in una soluzione elettrolitica. Uno dei due elettro è costituito da un film Cu 2 O (depositato su un substrato rame); il secondo elettrodo che ha la funzione chiudere il circuito elettrico è costituito da una lamina rame. Questa particolare cella solare produrrà una fferenza potenziale elettrico tale da generare un'intensità corrente che va da qualche µa a qualche centinaia µa. Ciò pende, tra gli altri fattori, dall intensità della luce e dalla superficie dell elettrodo semiconduttore esposta alla luce. La figura mostra un esempio cella ottenuta con gli elementi sopra menzionati. OCCORRENTE PER L'ESPERIENZA mezza bottiglia plastica contenente acqua e sale due elettro rame cui uno preparato con uno strato Cu 2 O un microamperometro cavetti collegamento tra elettro e microamperometro

2 PREPARAZIONE Ci serviremo due elettro costituiti da due lamine rame, una delle quali sarà riscaldata ad una temperatura almeno 500 C per creare uno strato ossido rameoso Cu 2 O. Per ottenere la giusta ossidazione è necessario fare uso un forno a piastra elettrica riscaldante, che raggiunga temperature elevate, oppure un fornello da campeggio, o in alternativa, una muffola, che può trovarsi forse in istituti tecnici. L'ossidazione del rame porta alla formazione sulla superficie della lamina non solo Cu 2 O, ma anche ossido rameico CuO che è un isolante, assoluta inutilità per il nostro lavoro. Tale ossido va rimosso molto delicatamente con le mani anche sotto l'acqua corrente, oppure con carta vetrata granulometria fine. La soluzione elettrolitica è essenzialmente costituita NaCl, il sale cucina, facilmente reperibile in drogheria. Gli elettro saranno collegati con i cavetti e si potranno misurare contemporaneamente la tensione (con un voltmetro) e l'intensità corrente con un microamperometro. In assenza adeguata illuminazione la corrente che passa nel circuito elettrico sarà molto bassa; in presenza versa illuminazione, a partire dall'ombra, e aumentandola ponendo la lampada a stanze verse dalla cella, si otterranno verse quantità corrente elettrica. Ecco uno schema del semplicissimo circuito cui si farà uso: V - +

3 COSA SI FA A SCUOLA: descrizione del funzionamento della cella ossidazione della lamina rame qualora la scuola sia provvista un forno adeguato preparazione del semplice spositivo misura delle tensioni e delle correnti tra gli elettro al variare : profontà immersione degli elettro, intensità della luce orientata sulla cella ricerca una eventuale relazione quantitativa fra corrente generata e grandezze variate COSA SI PUÒ FARE ALL'UNIVERSITÀ: Esame al microscopio elettronico a scansione: si può osservare la morfologia superficiale dello strato Cu 2 O e delle zone contenenti CuO. Verificare la composizione dello strato superficiale con una microanalisi chimica FUNZIONAMENTO DELLA CELLA SOLARE: La chiave del fenomeno è la funzione da semiconduttore del Cu 2 O. La struttura elettronica quest'ossido è tale che esiste un gap energetico (nel caso pari a 2.1eV 1 tra la banda valenza e quella conduzione. Tale separazione energetica viene comunemente superata da una percentuale minima elettroni per effetto termico. Tuttavia, il non utilizzo della separazione carica generata, fa si che gli elettroni successivamente tendano a ricombinarsi con le lacune formatesi inizialmente per effetto del loro passaggio in banda conduzione. Qualora l'ossido venga investito da una luce lunghezza d'onda corrispondente ad un'energia almeno 2.1 ev, il gap energetico potrà essere superato da una percentuale più elevata elettroni. Gli elettroni che giungono alla banda conduzione, se opportunamente convogliati da un campo elettrico, fornito dalla cella elettrolitica nella quale è presente l'altro elettrodo, generano una corrente notevolmente superiore a quella fondo, rendendo trascurabile il fenomeno della ricombinazione elettrone-lacuna. Nella cella solare dell'immagine l intensità corrente passa da 6 a 33 microampère alla luce del sole, mentre orientando opportunamente la lampada si può trovare una fferenza anche maggiore tra la corrente nell ombra e quella nella luce. 1 Introduzione alla fisica dello stato solido Charles Kittel, 1971 Bollati Boringhieri a pag. 315, in cui compare una tabella con i valori del gap energetico fra bande valenza e conduzione per versi semiconduttori a temperatura ambiente.

4 Dopo aver lavato gli elettro rame e averli passati con acetone si mettono a scaldare in due mo versi per osservare la versa formazione degli ossi. Contemporaneamente si prepara una soluzione NaCl in acqua ( rubinetto) e si monta il circuito prima mostrato. Dopo aver esposto la cella alla luce della lampada magari in due verse posizioni, si possono eseguire le seguenti misure: Misure da effettuare Tensione fondo fondo luce vicina Tensione luce vicina luce lontana Tensione luce lontana rame Cu2O fornello elettrico sul Cu2O sul fornello a gas Elettro con superficie mezzata Cu2O fornello elettrico sul Cu2O sul fornello a gas