LA CELLA FOTOVOLTAICA

LA CELLA FOTOVOLTAICA

di Salvatore Massimo

Gebbia

E Danilo Pirrone

di Salvatore Massimo

Gebbia

E Danilo Pirrone

I MATERIALISI DIVIDONO IN:

I MATERIALISI DIVIDONO IN:

ISOLANTI

PlasticaLegnoVetro

CeramicaPlexiglass

ISOLANTI

PlasticaLegnoVetro

CeramicaPlexiglass

CONDUTTORI

RamePiomboStagnoMetalliAcqua

CONDUTTORI

RamePiomboStagnoMetalliAcqua

MATERIALE ISOLANTEMATERIALE ISOLANTEApplicando una differenza di potenziale ai capi di un materiale isolante

le cariche negative rappresentate dagli elettroni non possono

staccarsi dal nucleo e, pertanto, tali materiali non consentono

il passaggio di corrente elettrica.

MATERIALE CONDUTTOREMATERIALE CONDUTTOREApplicando una differenza di potenziale ai capi di un materiale conduttore

le cariche negative rappresentate dagli elettroni possono

staccarsi dal nucleo muoversi liberamente all’interno del materiale.

Tali materiali, pertanto, consentono il passaggio della corrente elettrica.

ESISTONO POI I MATERIALI

SEMICONDUTTORIIn questo tipo di materiali, (es. silicio),

gli elettroni assorbono l’energiadai fotoni che ne investono la superficie.

Tale carica acquisita, gli consentedi liberarsi dal nucleo e cio’ avviene

proporzionalmente alla quantitàdi fotoni irraggiati.

In assenza di fotoni

Cella irradiata da molti fotoni

R

I (Ampère)

V+ V-

QUANDO LA CELLA VIENE IRRADIATA DALLA LUCEQUANDO LA CELLA VIENE IRRADIATA DALLA LUCE

SI CREA UNA DIFFERENZA DI POTENZIALESI CREA UNA DIFFERENZA DI POTENZIALE

CHIUDENDO IL CIRCUITOCHIUDENDO IL CIRCUITO

SI AVRA’ CIRCOLAZIONE DI CORRENTESI AVRA’ CIRCOLAZIONE DI CORRENTE

Che cos'è il fotovoltaico?Che cos'è il fotovoltaico?Il fotovoltaico è una tecnologia che consente di

trasformare direttamente la luce solare in energia elettrica, sfruttando il cosiddetto effetto fotovoltaico.

Questo effetto si basa sulla proprietà che hanno alcuni materiali semiconduttori opportunamente trattati

(fra cui il silicio, elemento molto diffusso in natura),di generare direttamente energia elettrica quando

vengono colpiti dalla radiazione solare,senza l'uso di alcun combustibile.

Il dispositivo più elementare capace di operare tale conversione è la cella fotovoltaica che è in grado di

produrre circa 1/1,5 Watt di potenza quando èinvestita da una radiazione di 1000 W/m2(condizioni standard di irraggiamento).

CELLA SOLARE

Una cella solare, detta anche cella fotovoltaica, è un dispositivoche converte l'energia luminosa in energia elettrica.

A volte il termine cella solare è usato per denominare dispositiviche catturano l'energia solare, mentre il termine cella fotovoltaicaè usato quando la sorgente luminosa è di natura non specificata.

La cella solare, usata per produrre energia,ha un'efficienza compresa tra il 13 e il 20%

Di solito le celle, costruite con materiale semiconduttore come il silicio,che è largamente diffuso in questo campo, sono spesse 0,25 mm.

e hanno una forma quadrata di 125 x 125 mm.

FUNZIONAMENTO

Quando la cella è esposta alla luce, se vengono introdotte delle impurità nella struttura cristallina del silicio, usato per la costruzione di celle solari,

si crea un campo elettrico che poi viene trasformato in energia.

Su quali principi fisici si basa il funzionamento della cella fotovoltaica?

La conversione fotovoltaica è un fenomeno fisico che permette di trasformare direttamente l'energia luminosa in energia elettrica in strutture elementari, le celle fotovoltaiche. Questi dispositivi sono realizzati in materiali semiconduttori, materiali cioè che conducono la corrente elettrica ela cui resistività diminuisce alcrescere della temperaturae per la presenza di impurità.

L'effetto fotovoltaico consiste nella generazione di una differenzadi potenziale elettrico, grazie all'integrazione di un flusso dienergia radiante con la materia.

Con l’esperienza di laboratorio, studieremo la trasformazione di Energia LuminosaEnergia Luminosa (fotoni), in Energia Elettrica.Energia Elettrica.

Simulando l’effetto dei raggi solari che colpiscono questi materiali semiconduttorisemiconduttori.

Proveremo ora a calcolare la potenza elettrica sviluppata (P) Watt

conoscendo l’intensità di corrente (I) Ampere

e la differenza di potenziale o tensione (V) Volt

Sapendo che:

R

I (Ampère)

V+ V-

P = L / tLa potenza è uguale al lavoro sul tempo

P = V * IMa anche al prodotto

della tensione per la corrente

A

V

MATERIALE UTILIZZATO:

Una cella fotovoltaica

Una lampada con braccio variabile

Cavi di connessione

Una resistenza

Un amperometro collegato in serie al circuito

Un voltmetro collegato ai capi della resistenza

Irraggiando con la lampada la cella fotovoltaica da una distanza Irraggiando con la lampada la cella fotovoltaica da una distanza iniziale di 18 cm. Abbiamo, con ripetuti spostamenti del braccio, iniziale di 18 cm. Abbiamo, con ripetuti spostamenti del braccio,

rilevato tensioni e correnti secondo la seguente tabella:rilevato tensioni e correnti secondo la seguente tabella:

d = distanza (cm.) V = tensione (volt) I = corrente (mA milliampere) P = potenza (mW milliwatt)

18 13,5 12 162

23 13,5 12 162

28 10,5 9,3 97,65

33 7,3 6,5 47,45

38 5,4 4,8 25,92

43 4,0 3,5 14

48 3,2 2,8 8,96

53 2,5 2,2 5,5

58 2,1 1,9 3,99

63 1,8 1,6 2,88

GRAFICO DELLA TENSIONE

13,5 13,5

10,5

7,3

5,4

43,2

2,5 2,1 1,8

13,5 13,5

10,5

7,3

5,4

43,2

2,5 2,1 1,8

GRAFICO DELLA CORRENTE

12 12

9,3

6,5

4,8

3,52,8

2,2 1,9 1,6

GRAFICO DELLA POTENZA

162 162

97,65

47,45

25,9214 8,96 5,5 3,99 2,88

I grafici seguenti rappresentano in modo immediato i dati della precedente tabella.

Possiamo osservare come diminuisce la potenza resa riducendo la quantità di fotoni.

Cenni teorici

Le celle nello schema generale sono costituite da due strati di semiconduttore (solitamente composti a base di silicio)in contatto fra loro: uno strato è di tipo n, o strato finestra (generalmente si tratta di silicio drogato con fosforo), caratterizzato da una certa quantità di cariche negative (elettroni) e uno strato è di tipo p, o strato assorbitore (ottenuto drogando il silicio con boro), in cui si haun eccesso di cariche positive. Alla giunzione, cioè nella zona di contatto tra i due strati,si crea una barriera di potenziale.Ciascun fotone, dotato di energia e = h*v ,è in grado di liberare all'interno della giunzioneuna coppia elettrone - lacuna checontribuisce alla conduzioneelettrica del semiconduttore.A causa della barriera di potenziale gli elettroni possono passare dallo strato p a quello n, ma non è possibile il passaggio inverso: si crea così un eccesso di elettroninello strato n. Collegando un conduttore a ciascuno degli strati p e n e chiudendo il circuito ci sarà circolazione di corrente grazieal passaggio degli elettroni che si ricombinano con le lacune. È importante che la radiazione solare penetri in entrambi gli strati n e p ed è per questo motivo che il primo stratoè molto sottile rispetto al secondo.

FINEFINE