L effetto Fotovoltaico

L effetto Fotovoltaico Carla sanna sanna@sardegnaricerche.it lab.fotovoltaico@sardegnaricerche.it Carla sanna Cagliari 19 settembre 2008 Sala Anfiteatro, via Roma 253 1

Un po di storia. Becquerel nel 1839 osservò per la prima volta l effetto fotovoltaico mentre effettuava degli esperimenti con delle celle elettrolitiche con elettrodi in platino A seconda dei materiali che costituivano gli elettrodi in seguito all esposizione degli stessi alla radiazione solare si osservava un aumento della corrente. 1905: Einstein teorizza scientificamente l effetto fotoelettrico che gli vale il premio nobel del 1921 1876: Gli studi sull effetto fotovoltaico proseguono con Smith, Adams e Day 1954:Viene realizzata la prima cella FV sperimenta nei Bell Labs da Chapin, Fuller, Person. 1963:Inizia la commercializzazione dei primi Moduli FV. Carla sanna Cagliari 19 settembre 2008 Sala Anfiteatro, via Roma 253 2

Photovoltaic photo = luce volt = tensione L energia luminosa genera una differenza di potenziale (tensione) che può essere usata per generare corrente elettrica Grazie all effetto fotovoltaico la luce del sole viene sfruttata per produrre energia elettrica utilizzabile Conversione diretta di energia solare in energia elettrica si sfrutta l interazione della radiazione luminosa con gli elettroni di valenza di una particolare classe di materiali Carla sanna Cagliari 19 settembre 2008 Sala Anfiteatro, via Roma 253 3

Effetto fotoelettrico: emissione di cariche negative da una superficie, solitamente metallica, quando questa viene colpita da una radiazione luminosa). Energia dei fotoni incidenti E = hν E cin Energia cinetica degli elettroni fotoemessi E cin = hνw 0 > 0 Effetto di soglia: si ha effetto fotoelettrico solo se la frequenza della radiazione luminosa incidente è superiore al valore della soglia fotoelettronica hν > W 0 W 0 lavoro di estrazione del materiale H Carla sanna Cagliari 19 settembre 2008 Sala Anfiteatro, via Roma 253 4

Energia del fotone minore del lavoro di estrazione No effetto fotoelettrico Energia del fotone minore del lavoro di estrazione effetto fotoelettrico La caratteristica importante dell effetto fotoelettrico è di dipendere dalla frequenza della radiazione, che determina l energia del fotone, e non dall intensità della luce. Carla Sanna Cagliari 19 settembre 2008 Sala Anfiteatro, via Roma 253 5

Caratteristica I_V di una cella FV La Conversione Fotovoltaica La conversione diretta dell energia solare in energia elettrica, utilizza il fenomeno fisico dell interazione della radiazione luminosa con gli elettroni di valenza nei materiali semiconduttori, denominato Effetto Fotovoltaico L effetto fotovoltaico non è altro che un effetto fotoelettrico interno Le cariche elettriche che vengono liberato rimangono all interno del materiale e possono contribuire alla conduzione Nell effetto fotovoltaico vengono create coppie elettronebuca, ovvero portatori di carica negativi e positivi all interno del semiconduttore che opportunamente incanalati portano alla conduzione elettrica. Carla sanna Cagliari 19 settembre 2008 Sala Anfiteatro, via Roma 253 6

Comportamento elettrico dei materiali: comportamento degli elettroni degli atomi che costituiscono il materiale isolanti Gli elettroni non si possono muovere Non c è conduzione elettrica semiconduttori Hanno proprietà intermedie tra quelle degli isolanti e quelle dei conduttori conduttori Gli elettroni sono mobili C è conduzione elettrica Carla sanna Cagliari 19 settembre 2008 Sala Anfiteatro, via Roma 253 7

Formazione delle bande di energia E Atomo isolato Es: Si che ha 14 elettroni Distanza fra gli atomi Livelli energetici degli elettroni D E D Distanza fra gli atomi Livelli energetici degli elettroni d E d Distanza fra gli atomi Livelli energetici non occupati Banda proibita (GAP) Livelli energetici occupati Bande di energia Carla sanna Cagliari 19 settembre 2008 Sala Anfiteatro, via Roma 253 8

Formazione delle bande di energia Esistono tre tipologie di bande di energia entro le quali si possono posizionare gli elettroni: Banda di valenza Banda di conduzione Banda proibita ( GAP) E E BC GAP ampio 4 7 ev GAP piccolo ~ ev BC Sovrapposizione della banda di Conduzione e della banda di valenza Banda di valenza e di conduzione Separate da un grande GAP Banda di valenza e di conduzione separate da un piccolo GAP Carla sanna Cagliari 19 settembre 2008 Sala Anfiteatro, via Roma 253 9

E GAP piccolo ~ ev Fornendo al materiale semiconduttore una quantità di energia superiore al gap gli elettroni hanno la possibilità dii passare dalla banda di valenza ( BV) alla banda di conduzione (BC) contribuire dunque alla conducibilità elettrica. Banda di valenza e di conduzione separate da un piccolo GAP Elettroni di valenza Carla Sanna Cagliari 19 settembre 2008 Sala Anfiteatro, via Roma 253 10

semiconduttori E Fornendo al materiale semiconduttore una quantità di energia superiore al gap di energia, gli elettroni hanno la possibilità di passare dalla banda di valenza ( BV) alla banda di conduzione (BC) e contribuire dunque alla conducibilità elettrica. GAP piccolo ~ ev hν > Per ogni elettrone che passa dalla banda di valenza alla banda di conduzione una buca ( mancanza di elettrone) si forma in banda di valenza Banda di valenza e di conduzione separate da un piccolo GAP Nel semiconduttore la conduzione è dovuta dunque a due tipi di portatori di carica: Elettroni ( cariche negative) Buche o lacuna ( cariche positive) Carla Sanna Cagliari 19 settembre 2008 Sala Anfiteatro, via Roma 253 11

semiconduttori Non tutta la radiazione è in grado di produrre coppie elettrone buca Banda di conduzione Es: Silicio GAP : =1.12 ev quindi l energia del fotone ε = hν deve essere > del GAP Serve dell energia perché un elettrone possa passare dalla banda di valenza alla banda di conduzione Banda di valenza λ max L energia del fotone ε si può esprimere in funzione delle Lunghezza d onda della radiazione incidente: ε = c λ h ε > =1.12 ev 34 8 hc (6.6 10 Joule sec) (3 10 m / sec) = = 19 (1.12) (1.6 10 Joule) 6 λ 1.11 10 m 1. 11µm max = L energia deve essere superiore al valore del GAP di energia della banda proibita lma c = 3 x 10 8 m/s 1 ev = 1.60217646 10 19 joule Carla sanna Cagliari 19 settembre 2008 Sala Anfiteatro, via Roma 253 12

Per il silicio 6 λ 1.11 10 m 1. 11µm max = Radiazione di lunghezza d onda maggiori non producono effetto fotovoltaico Carla sanna Cagliari 19 settembre 2008 Sala Anfiteatro, via Roma 253 13

Cos è il drogaggio di un semiconduttore? Per migliorare il comportamento elettrico di un semiconduttore si effettua Il drogaggio dello stesso Es: Silicio puro ( tetravalente) Ogni atomo ha 4 elettroni di valenza Che si legano covalentemente ad altri 4 atomi Drogato n: atomo pentavalente in matrice tetravalente Drogatop: atomo trivalente in matrice tetravalente Carla Sanna Cagliari 19 settembre 2008 Sala Anfiteatro, via Roma 253 14

La giunzione pn Cristallo semiconduttore costituito da due strati di semiconduttore che abbiano rispettivamente un eccesso di cariche negative ( strato n) e un eccesso di cariche positive ( strato p) Giunzione pn Semiconduttore drogato n Semiconduttore drogato p Strato n Strato p Carla Sanna Cagliari 19 settembre 2008 Sala Anfiteatro, via Roma 253 15

La giunzione pn Cristallo semiconduttore costituito da due strati di semiconduttore che abbiano rispettivamente un eccesso di cariche negative ( strato n) e un eccesso di cariche positive ( strato p) Giunzione pn Strato n Strato p Le cariche in eccesso migrano dallo strato p allo strato n Le cariche in eccesso migrano dallo strato n allo strato p Carla Sanna Cagliari 19 settembre 2008 Sala Anfiteatro, via Roma 253 16

La giunzione pn Cristallo semiconduttore costituito da due strati di semiconduttore che abbiano rispettivamente un eccesso di cariche negative ( strato n) e un eccesso di cariche positive ( strato p) Giunzione pn Strato n Strato p La migrazione continua sino a che non si raggiunge una situazione di equilibrio e in corrispondenza della giunzione si genera un campo elettrico E che si oppone al passaggio di ulteriori portatori carica attraverso la giunzione Carla Sanna Cagliari 19 settembre 2008 Sala Anfiteatro, via Roma 253 17

La giunzione pn Illuminando la giunzione pn, si formano delle coppie elettrone buca, che a causa del campo elettrico vengono separate. n E p Carla Sanna Cagliari 19 settembre 2008 Sala Anfiteatro, via Roma 253 18

Schema di una cella solare Elettroni liberi Banda di conduzione (stati eccitati) Radiazione luminosa Fotoni Banda di valenza (stato fondamentale) Elettroni di valenza Carico esterno Carla Sanna Cagliari 19 settembre 2008 Sala Anfiteatro, via Roma 253 19

Caratteristica I_V di una cella FV Carla sanna Cagliari 19 settembre 2008 Sala Anfiteatro, via Roma 253 20

Caratteristica I_V di una cella FV I [A] 1.00 Caratteristica IV di una Cella Solare Punto di massima potenza Pm= Vm Im Condizioni di funzionamento Ottimale della cella 0.75 I m I sc 0.50 0.25 0.00 V oc 0.00 0.20 0.40 V m 0.60 V [V] Isc CORRENTE DI CORTOCIRCUITO (V=0) Voc TENSIONE A VUOTO (I=0) Carla sanna Cagliari 19 settembre 2008 Sala Anfiteatro, via Roma 253 21

Caratteristica IV di una Cella Solare ed andamento della Potenza I [A] 1.00 I m 0.75 0.50 Punto di massima potenza P m = V m I m P [W] 0.40 0.30 0.20 0.25 Andamento della potenza P= V I 0.10 0.00 0.00 0.00 0.20 0.40 V 0.60 m V [V] Carla sanna Cagliari 19 settembre 2008 Sala Anfiteatro, via Roma 253 22

Caratteristica I_V di una cella FV Variazione della caratteristica IV al variare della temperatura di lavoro della cella 1.00 0.75 0.50 0.25 0.00 0.00 CORRENTE DI CORTOCIRCUITO I CC (V=0) TENSIONE A VUOTO V 0 (I=0) 0.20 40 C 60 C 20 C 40 C 20 C 0 C 0.53 0.57 0.60 0.64 0.68 0.72 V [V] Carla sanna Cagliari 19 settembre 2008 Sala Anfiteatro, via Roma 253 23

Caratteristica I_V di una cella FV Caratteristica Elettrica (IV) in funzione della Radiazione Solare I [A] 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 1000 W/m 2 900 W/m 2 800 W/m 2 700 W/m 2 600 W/m 2 500 W/m 2 Caratteristica IV di un modulo commerciale da 50Wp a 40 0.0 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 22.0 V [V] Carla sanna Cagliari 19 settembre 2008 Sala Anfiteatro, via Roma 253 24

Caratteristica I_V di una cella FV Grazie per l attenzione Carla sanna Cagliari 19 settembre 2008 Sala Anfiteatro, via Roma 253 25