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ⓘ Effetto fotovoltaico



                                     

ⓘ Effetto fotovoltaico

In fisica dello stato solido l effetto fotovoltaico è il fenomeno fisico che si realizza quando un elettrone presente nella banda di valenza di un materiale passa alla banda di conduzione a causa dellassorbimento di un fotone sufficientemente energetico incidente sul materiale.

                                     

1.1. Descrizione Aspetti teorici

Leffetto fotovoltaico, osservato per la prima volta da Alexandre Edmond Becquerel nel 1839, costituisce una delle prove indirette della natura corpuscolare delle onde elettromagnetiche. La teoria fisica che spiega leffetto fotoelettrico, del quale leffetto fotovoltaico rappresenta una sottocategoria, fu pubblicata nel 1905 da Albert Einstein che per questo ricevette il Premio Nobel per la fisica nel 1921. Quando una radiazione elettromagnetica investe un materiale può, in certe condizioni, cedere energia agli elettroni più esterni degli atomi del materiale. Se lenergia ceduta è sufficiente, lelettrone risulta libero di allontanarsi dallatomo di origine. Lassenza dellelettrone nellatomo di origine viene chiamata lacuna. Lenergia sufficiente per liberare lelettrone dallatomo di origine per passare quindi dalla banda di valenza che corrisponde allo stato legato più esterno alla banda di conduzione ove non è più legato deve essere almeno uguale e quindi anche maggiore alla banda proibita del materiale.

Nella fisica dei sistemi fotovoltaici viene definita la risposta spettrale assoluta RSλ, il rapporto tra la misura della corrente elettrica generata dalla cella fotovoltaica misurata in A e la potenza incidente misurata in W. Normalmente questa misura viene fornita in termini spettrali, cioè in funzione della lunghezza donda λ della luce incidente sulla cella fotovoltaica in maniera del tutto analoga al concetto di risposta in frequenza.

                                     

1.2. Descrizione Utilizzo nelle celle fotovoltaiche

Questo fenomeno è alla base della produzione elettrica nelle celle fotovoltaiche. Il meccanismo di funzionamento si basa sullutilizzo di materiali semiconduttori, il più utilizzato dei quali è attualmente il silicio.

Infatti, nel caso di materiali isolanti, il band gap risulta troppo elevato per poter essere eguagliato dallenergia del fotone incidente, mentre per i materiali conduttori lenergia del band gap è piccolissima, quindi a temperatura ambiente cè una continua creazione e distruzione di coppie elettrone-lacuna e lenergia necessaria alla creazione viene fornita direttamente dalle fluttuazioni termiche. Quando un flusso luminoso investe invece il reticolo cristallino di un semiconduttore, si verifica la transizione in banda di conduzione di un certo numero di elettroni al quale corrisponde un egual numero di lacune che passa in banda di valenza. Si rendono pertanto disponibili portatori di carica, che possono essere sfruttati per generare una corrente. Per realizzare ciò è necessario creare un campo elettrico interno alla cella, stabilendo un eccesso di atomi caricati negativamente anioni in una parte del semiconduttore ed un eccesso di atomi caricati positivamente cationi nellaltro. Questo meccanismo si ottiene mediante drogaggio del semiconduttore che generalmente viene realizzato inserendo atomi del terzo gruppo come ad esempio il boro e del quinto gruppo fosforo per ottenere rispettivamente una struttura di tipo p con un eccesso di lacune ed una di tipo n con un eccesso di elettroni.

Lo strato drogato con elementi del quinto gruppo, che hanno cinque elettroni esterni o di valenza contro i tre di quelli del terzo gruppo, presenta una carica negativa debolmente legata, costituita da un elettrone in eccesso per ogni atomo drogante. Nello stesso modo, nello strato drogato con elementi del terzo gruppo, che hanno invece tre elettroni esterni, si ottiene un eccesso di carica positiva, data dalle lacune degli atomi droganti. Il primo strato, a carica negativa, viene generalmente chiamato strato n, laltro, a carica positiva, strato p, la zona di separazione è detta giunzione p-n.

Va sottolineato che il materiale risulta essere globalmente neutro, dato che il drogaggio viene realizzato con atomi neutri non ioni, quello che cambia è leccesso di elettroni nei legami covalenti, da una parte, e il difetto degli stessi dallaltra. Mettendo a contatto i due materiali così ottenuti, si viene a verificare un flusso di diffusione di elettroni dalla zona n alla zona p e di lacune in direzione opposta, fino al raggiungimento dellequilibrio elettrostatico, che determina un eccesso di carica positiva nella zona n, un eccesso di elettroni nella zona p e una regione intermedia detta regione di svuotamento in inglese depletion region. Il risultato è un campo elettrico interno al dispositivo tensione di built-in che si estende a cavallo della regione di svuotamento, generalmente spessa pochi micrometri.

A questo punto, se viene illuminata con fotoni la giunzione dalla parte n, vengono a crearsi delle coppie elettrone-lacuna sia nella zona n che nella zona p. Il campo elettrico di built-in permette di dividere gli elettroni in eccesso ottenuti dallassorbimento dei fotoni da parte del materiale dalle lacune, e li spinge in direzioni opposte gli uni rispetto agli altri. Gli elettroni, una volta oltrepassata la zona di svuotamento non possono quindi più tornare indietro, perché il campo impedisce loro di invertire la marcia. Connettendo la giunzione con un conduttore esterno, si otterrà un circuito chiuso nel quale il flusso di elettroni parte dallo strato n, a potenziale maggiore, verso lo strato p, a potenziale minore sintanto che la cella resta esposta alla luce.

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