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Titolo: Cella fotovoltaica

Salve,
qualcuno saprebbe spiegarmi come funziona fisicamente
una cella fotovoltaica ?
Ringrazio.
Fabrizio.
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 una cella fotovoltaica ?
è un particolare silicio "drogato in modo opportuno" (come ad esempio dei
diodi led) che
quando colpito dalla luce emette ai suoi capi energia elettrica!!
Cosi la sapevo io Ciao a presto!!

 
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Ląeffetto fotovoltaico fu osservato per la prima volta nel 1839 dal fisico
francese Antoine Becquerel (1788-1878) il quale, in pratica, realizzň la
prima pila fotovoltaica.  Essa era costituita da un cilindro di vetro
contenente una soluzione di nitrato di piombo, nella quale erano immersi un
anodo di piombo e un catodo di ossido di rame.  Egli notň che tra i due
elettrodi si stabiliva una differenza di potenziale soltanto se la pila
veniva sottoposta a radiazione luminosa.
Lo stesso fenomeno avviene anche in una giunzione tra due materiali
semiconduttori e viene sfruttato attualmente per convertire l'energia
luminosa del Sole direttamente in energia elettrica.
Per capire come funziona questo processo di conversione č necessario fare
riferimento ad alcune nozioni della fisica moderna riguardo alla natura
della radiazione elettromagnetica e alla struttura dell'atomo.
L'effetto fotovoltaico č tra i fenomeni che fanno pensare ad una natura
corpuscolare della luce; infatti, č stato scoperto che č proprio una
particella associata alle onde elettromagnetiche, denominata fotone, a
fornire l'energia necessaria ad attivare il processo fotovoltaico.
L'elemento piů utilizzato nella costruzione delle celle solari č il silicio,
che appartiene al quarto gruppo del sistema periodico degli elementi.  Un
atomo di silicio possiede, in condizioni normali, 14 elettroni e la sua
configurazione elettronica č: 1s2 2s2 2p2 3s2 3p2.  Di conseguenza vi sono 4
dei 14 elettroni che si trovano nella banda di valenza.  In un cristallo di
silicio puro ogni atomo č legato in modo covalente ad altri quattro atomi.
Questo legame elettrostatico puň essere spezzato con una quantitŕ
sufficiente di energia, che permette ad un elettrone di passare ad un
livello energetico superiore, cioč dalla banda di valenza alla banda di
conduzione, superando la banda proibita (in inglese "energy gap", Eg).
Ląenergia necessaria per far passare un elettrone delląatomo di silicio
dalla banda di valenza a quella di conduzione č di 1.08 eV (1 eV = 1.602 *
10-19 J), che č un valore intermedio tra quello dei conduttori e quello
degli isolanti.
Questa energia puň essere fornita da un fotone nel momento in cui colpisce
un elettrone.
L'energia del fotone dipende dalla lunghezza d'onda l della radiazione
luminosa alla quale č associato secondo la seguente relazione:
 E=hv
dove:
h = costante di Plank = 6.6256 * 10-34 Js;
v = frequenza della radiazione luminosa (Hz);
Se il prodotto hv č minore del gap di energia Eg, la luce non ha l'energia
sufficiente per provocare il trasferimento di elettroni da una banda
all'altra ed il materiale risulta trasparente a quella particolare lunghezza
d'onda.  Se, invece, l'energia del fotone č uguale o superiore a Eg, la luce
viene assorbita a una certa profonditŕ (in genere di alcuni mm) che dipende
dalla lunghezza d'onda e si ha la generazione di una coppia
elettrone-lacuna.
Occorre tenere presente che un fotone puň liberare un solo elettrone e
l'eventuale energia rimanente viene convertita in calore.
Ląenergia di 1.08 eV corrisponde alla lunghezza dąonda di 1.15 mm
Quando un flusso luminoso investe il reticolo cristallino del silicio, si ha
la liberazione di un certo numero di elettroni al quale corrisponde un egual
numero di lacune.  Nel processo di ricombinazione ogni elettrone che capita
in prossimitŕ di una lacuna la puň occupare, restituendo una parte
dell'energia cinetica che possedeva sotto forma di calore.
Nel momento in cui cessa il flusso di fotoni, tutti gli elettroni liberati
vengono riassorbiti dalle lacune, producendo un piccolo aumento di
temperatura del silicio.
Il rendimento effettivo di una cella fotovoltaica di silicio cristallino č
inferiore al limite teorico del 44 % di energia solare cui la cella č
sensibile.  
Per realizzare una cella solare č necessario introdurre una piccola quantitŕ
di atomi appartenenti al terzo o al quinto gruppo del sistema periodico
degli elementi, in modo da ottenere due strutture differenti, una con un
numero di elettroni insufficiente, l'altra con un numero di elettroni
eccessivo.  Questo trattamento viene detto drogaggio e la quantitŕ delle
impuritŕ introdotte č dell'ordine di una parte per milione.  Generalmente si
utilizzano il boro (terzo gruppo) ed il fosforo (quinto gruppo) per ottenere
rispettivamente una struttura di tipo p (con un eccesso di lacune) ed una di
tipo n (con un eccesso di elettroni).
In entrambi i casi il materiale risulta elettricamente neutro; tuttavia,
ponendo a contatto i due tipi di strutture, si realizza una giunzione p-n.
In particolare, gli elettroni presenti nel silicio tipo n si diffondono per
un breve tratto nel silicio tipo p, dando origine alla zona di svuotamento o
di carica spaziale: il silicio tipo n si carica positivamente mentre quello
di tipo p si carica negativamente. Questo spostamento crea, nella zona di
svuotamento, un campo elettrico delląampiezza di pochi micrometri.
Illuminando la giunzione p-n dalla parte del silicio tipo n, si generano
delle coppie elettrone-lacuna in entrambe le zone n e p.  Nel silicio di
tipo p vi č un eccesso di lacune che tendono ad assorbire gli elettroni, per
cui il numero di elettroni liberi č relativamente basso, ma la loro velocitŕ
č molto elevata.  Nel silicio di tipo n, invece, vi sono poche lacune e di
conseguenza molti piů elettroni liberi, ma con un valore medio di energia
per ogni elettrone molto piů basso.  Gli elettroni del silicio tipo p che,
nel loro moto casuale, arrivano alla giunzione, possono attraversare la zona
di carica spaziale, arrivando al silicio tipo n.  Gli elettroni a bassa
energia del silicio tipo n, invece, non sono in grado di attraversare la
barriera a causa della loro bassa energia.
In questo modo si crea una differenza di potenziale di circa 0,5 Volt tra le
due zone; quindi, se si connette la giunzione p-n con un carico si otterrŕ
un flusso di elettroni che parte dallo strato n, a potenziale maggiore,
verso lo strato p, a potenziale minore.
E' importante che lo spessore dello strato n sia tale da garantire il
massimo assorbimento di fotoni incidenti in vicinanza della giunzione.  Per
il silicio questo spessore deve essere di 0,5 Microm, mentre lo spessore
totale della cella non deve superare i 250 Microm.
Ciao Zille