CENNI TECNOLOGICI SULLE CELLE SOLARI

  Celle fotovoltaiche

Una cella solare è un dispositivo elettronico capace di convertire direttamente la luce solare in elettricità. La luce che colpisce la cella fotovoltaica genera una potenza elettrica producendo sia una corrente che una tensione. Questo processo richiede, in primo luogo, un materiale in cui la luce assorbita sia in grado di far salire un elettrone ad un più alto livello di energia, ed in secondo luogo che questo elettrone fluisca dalla cella solare ad un circuito esterno dove dissipa la propria energia per poi tornare nella cella solare. Sebbene una gran varietà di materiali e processi soddisfano questi requisiti, nella pratica quasi tutta la conversione in energia fotovoltaica è ottenuta tramite materiali semiconduttori nella forma di giunzione p-n. Una cella solare è sostanzialmente modellizzata come un diodo a giunzione a larga area con contatti metallici sul fronte e sul retro. 

.

Schema di una sezione di una cella solare.

L'effetto fotovoltaico consiste nella generazione di una forza elettromotrice in risposta all'assorbimento di fotoni di appropriata energia. Ogni fotone assorbito, con energia pari o maggiore della banda di energia proibita del semiconduttore, genera una coppia elettrone-lacuna eccitando l'elettrone dalla banda di valenza alla banda di conduzione. I portatori fotogenerati fluiscono attraverso il semiconduttore. Quelli che, non ricombinandosi, riescono ad arrivare alla giunzione, sono separati dal campo elettrico ivi presente per poi essere raccolti da un circuito esterno. In tal modo si genera un potenziale elettrico tra i contatti metallici. Per tale motivo, una cella solare è comunemente chiamata dispositivo fotovoltaico.
Alla base del funzionamento di una cella solare ci sono i seguenti fenomeni:

- generazione di portatori mediante l'assorbimento della radiazione solare
- separazione e raccolta di tali portatori per produrre una corrente fotogenerata
- generazione di una tensione ai capi della cella solare
- dissipazione di potenza elettrica in un carico esterno ed in resistenze parassite

Per ottenere un'elevata efficienza bisogna massimizzare la generazione e la raccolta dei portatori e minimizzarne la ricombinazione. Mentre la generazione non può essere migliorata, una volta che si è scelto il tipo di semiconduttore e la sua geometria, la raccolta, dipendendo da parametri diversi, può essere ottimizzata. Solo i portatori fotogenerati e raccolti possono contribuire a fornire potenza ad un carico esterno; quindi è evidente che il numero di portatori che riesce a fluire attraverso la giunzione deve essere incrementato per poter aumentare la probabilità di raccolta. Per tale motivo i maggiori sforzi della ricerca sono proiettati al ritrovamento di tecniche che permettano di ridurre le perdite dovute alla ricombinazione.

Circuito equivalente di una cella solare.
Il funzionamento di una cella solare può essere modellizzato dal circuito equivalente mostrato in figura. Tale circuito è costituito da una sorgente di corrente e da un diodo posti in parallelo e da due resistenze parassite: la resistenza serie e la resistenza di shunt. La sorgente di corrente rappresenta la corrente fotogenerata, IL, il diodo modellizza la corrente di diffusione dalla base all'emitter in 

polarizzazione diretta, mentre le due resistenze: resistenza serie, Rs, e resistenza di shunt, Rsh, racchiudono le principali fonti di perdita circuitale.
La caratteristica di uscita, sotto illuminazione, è descritta dalla seguente espressione:

In cui Io rappresenta la corrente di saturazione del diodo in polarizzazione inversa, che è un parametro molto importante poiché è una misura della ricombinazione. Aumenta con la temperatura, mentre diminuisce se la qualità del materiale migliora. Generalmente è chiamata "dark saturation current". Un altro parametro importante è n, il fattore di idealità del diodo, che tipicamente può assumere valori compresi tra 1 e 2 ed aumenta se la corrente diminuisce. K è la costante di Boltzmann, 0.864 10-4 eVK-1, T è la temperatura assoluta espressa in Kelvin e q è la carica dell'elettrone, 1.6 10-19 coulomb.
Il termine KT/q è definito "potenziale termico" ed è pari a 25,86 mV a 300 K.
La caratteristica d'uscita corrente-tensione di una cella solare è graficata nella figura seguente. Nella curva IV sono stati evidenziati i seguenti parametri: Isc, corrente di corto circuito, Voc, tensione di circuito aperto, (Vmpp, Impp) punto di massima potenza estraibile, Pmpp, e Rch, resistenza caratteristica di una cella solare.

Curva IV di una cella solare sotto illuminazione in cui sono stati evidenziati i parametri caratteristici Isc, Voc, Rch ed il punto di massima potenza estraibile (Vmp,Imp).

.

.

.

I semiconduttori sono materiali che possiedono una conduttività elettrica intermedia tra i metalli e gli isolanti. Una loro caratteristica fondamentale risiede nella possibilità di poter variare la propria conduttività di diversi ordini di grandezza modificando la temperatura, l'eccitazione ottica o il contenuto di impurezze. Questa variabilità delle proprietà elettroniche rende quella dei semiconduttori la scelta più naturale nella realizzazione di dispositivi elettronici.
I materiali semiconduttori si trovano nella IV colonna, e in quelle vicine, all'interno della tavola periodica degli elementi.

Porzione della tavola periodica degli elementi: semiconduttori più comuni

Il silicio ed il germanio sono chiamati semiconduttori elementari in quanto sono composti da una singola specie di atomi. E' possibile tuttavia ottenere combinazioni tra diversi elementi presi da differenti gruppi (dal II al VI) che prendono il nome di composti.

Semiconduttori elementari e composti

La disposizione cristallografica dei singoli atomi è una delle proprietà che influenza notevolmente le caratteristiche opto-elettroniche dei semiconduttori. Nei semiconduttori cristallini, ma ciò è valido per qualsiasi altro materiale, una disposizione base di atomi si ripete in modo periodico attraverso l'intero sistema solido. Se non è presente alcuna struttura periodica, si parlerà di semiconduttori amorfi mentre se solo piccole regioni mostrano una struttura cristallina si avrà a che fare con semiconduttori multicristallini.

Come si sa, l'elettrone è l'elemento fondamentale della corrente elettrica ed ha carica negativa. In un semiconduttore, la corrente scorre nel momento in cui gli elettroni "saltano" dalla banda di conduzione alla banda di valenza. Il salto è determinato da un'eccitazione che può essere principalmente di natura termica od ottica. Quando la temperatura di un semiconduttore è superiore a 0 K, qualche elettrone, ricevendo sufficiente energia termica, si trasferisce dalla banda di valenza a quella di conduzione. Ciò comporta la creazione di stati vuoti lasciati nella banda di valenza che per convenzione prendono il nome di buche.
Le proprietà elettroniche ed ottiche dei materiali semiconduttori sono fortemente influenzate dalle impurezze le quali possono essere inserite in quantità controllate. Tali impurezze sono utilizzate per variare le conduttività dei semiconduttori per larghi intervalli e per alterare inoltre la natura dei processi di conduzione da portatori di carica negativa a quelli di carica positiva. Ad esempio, una concentrazione di impurezze di una parte per milione può trasformare un campione di silicio da un cattivo ad un buon conduttore di corrente elettrica. Questo processo di aggiunta controllata di impurezze prende il nome di drogaggio. Drogando un semiconduttore, ad esempio il silicio, è possibile spostare il bilancio degli elettroni e delle buche all'interno del materiale. Atomi di impurezze con uno o più elettroni di valenza rispetto al silicio (gruppi V, VI) sono impiegati per produrre materiali di tipo n che aggiungono elettroni alla banda di conduzione. Atomi di impurezza con uno o più elettroni di valenza in meno rispetto al silicio (gruppi II, III) danno luogo a materiali di tipo p nei quali si crea un aumento del numero di buche. Nei materiali drogati c'è sempre più di un tipo di portatore. Il tipo di portatore a più alta concentrazione è detto portatore maggioritario, quello a più bassa concentrazione portatore minoritario.

.

.

.

Nella seguente tabella sono riportate le proprietà per i diversi tipi di semiconduttore

.

I diodi a giunzione p-n sono alla base delle celle solari ma anche di altri dispositivi elettronici quali LED, laser, fotodiodi e transistor a giunzione bipolare.
Le giunzioni p-n sono formate dall'unione di materiali semiconduttori di tipo n e di tipo p. Dato che le regioni di tipo n hanno un'alta concentrazione di elettroni e quelli di tipo p un'alta concentrazione di buche, gli elettroni diffondono dal lato di tipo n a quello di tipo p. In modo analogo le buche si muovono nel verso opposto. Questo processo di diffusione si arresta nel momento in cui la concentrazione degli elettroni e delle buche diventa la stessa. Tuttavia, in una giunzione p-n, quando gli elettroni e le buche si muovono, lasciano sul reticolo delle cariche fisse costituite dagli ioni degli atomi droganti (nel lato di tipo n rimangono ioni positivi mentre in quello di tipo p, ioni negativi). Una situazione del genere comporta la creazione di un campo elettrico E e di un potenziale Vb ai capi della giunzione. Nella zona di contatto n-p, il campo elettrico trasporta velocemente i portatori da una regione all'altra. Data la mancanza di portatori, questa zona prende il nome di regione di svuotamento.

Se la giunzione p-n è sottoposta ad una radiazione elettromagnetica di energia almeno pari al valore della banda proibita del materiale semiconduttore, si generano coppie elettrone-lacuna. A causa dell'azione del campo elettrico, gli elettroni saranno trasportati verso la regione n mentre le lacune verso quella p. Nel caso in cui le estremità n e p fossero tra loro connesse attraverso, ad esempio, un filo conduttore, i portatori fotogenerati scorrerebbero attraverso il circuito esterno.

In questo caso la potenza è trasferita dalla giunzione al circuito esterno in modo analogo a quanto avviene per una batteria.

.

Fonte: Eurosolare - Eni

Home Site    Home Sezione    www.archeopolis.it