Storia del Fotovoltaico

Un approfondimento per capire la storia del fotovoltaico a partire dalle prime scoperte per arrivare poi ai giorni nostri.

1839: Alexandre Edmond Becquerel, all’età di 19 anni, scopre l’effetto fotovoltaico durante esperimenti con delle celle elettrolitiche di platino.

1876: Due scienziati britannici, Adams e Day, osservano che il selenio può convertire la luce del sole direttamente in elettricità, senza riscaldare un fluido e senza utilizzare parti mobili.

1883: Charles Fritts costruisce la prima vera e propria cella solare usando selenio e oro, con un rendimento inferiore all’1%.

1904: Wilhelm Hallwachs costruisce la prima cella solare con un dispositivo a base di rame e ossido di rame.

Anni ‘40: Vengono creati i primi dispositivi basati sul silicio.

Anni ‘50: Viene creata, presso i laboratori Bell, la prima cella a base di silicio molto più efficiente di quella al selenio con un rendimento del 6% e comincia la produzione di celle solari per attività aerospaziali.Anni ‘60: Le celle solari raggiungono il 14% di efficienza.

Anni ‘70: Viene sviluppato il procedimento per creare il silicio policristallino, meno costoso e dispendioso rispetto al silicio monocristallino.

1985: Fu creata la prima cella al silicio con efficienza 20%.

1994: Fu costruita una cella solare con un’efficienza del 30%.Ultimo decennio: La capacita delle celle di convertire l’energia solare in elettricità e circa del 95%.

Effetto Fotoelettrico

La scoperta dell’effetto fotoelettrico viene attribuita principalmente a Hertz che nel 1880 lo osservò studiando le esperienze di Schuster.

Il fenomeno consiste nell’emissione di elettroni da parte di una superficie metallica investita da una radiazione elettromagnetica. Questo effetto fu fondamentale per avvalorare la concezione corpuscolare della luce, giacché non poteva in alcun modo essere spiegato con la concezione di tipo ondulatoria proposta da Maxwell.

Fu Albert Einstein nel 1905 a rivalutare l’ipotesi del quanto d’azione teorizzata da Plank introducendo così l’idea di fotone che gli valse il premio Nobel nel 1921.L’insieme d’idee di Einstein e Plank diedero a Bohr le basi necessarie per formulare un nuovo modello atomico, correggendo in qualche modo il precedente modello di Rutherford.

Il primo ad introdurre il nome “fotoelettrico” fu Augusto Righi nel 1888 quando osservò che una lastra metallica esposta ad una radiazione UV si carica positivamente.

Nel 1900 Lenard studiò questo comportamento e, con sua sorpresa, scoprì che l’energia degli elettroni che escono dalla superficie metallica non dipende dall’intensità della luce, ma dalla sua frequenza.  A dipendere dall’intensità della radiazione è, infatti, solo in numero di elettroni uscenti.

Einstein spiegò il significato di questi esperimenti affermando che, quando i fotoni colpiscono la lastra metallica, tendono a cedere tutta la loro energia agli elettroni più superficiali.

Questi elettroni a questo punto hanno un’energia più che sufficiente per rompere i legami e allontanarsi dalla superficie metallica.

L’energia rimanente fa aumentare l’energia cinetica dell’elettrone. Si crea in questo modo una differenza di potenziale che deve raggiungere un certo valore, detto potenziale di arresto, affinché possa esserci corrente elettrica nel circuito.

Questo potenziale di arresto è legato all’energia cinetica massima dell’elettrone dalla relazione dove  è la massa dell’elettrone e la sua carica.

Accostando questa relazione alla legge di Plank, secondo cui l’energia radiante è prodotta solo in quantità discrete, ed è il risultato del prodotto della frequenza della radiazione per una costante definita universale e chiamata costante di Plank, si ottiene la relazione che lega alla frequenza della radiazione dove è la costante di Plank (),  è la frequenza della radiazione e  è il lavoro speso dall’elettrone per rompere i legami.

Effetto Fotovoltaico

L’effetto fotovoltaico è un caso particolare dell’effetto fotoelettrico in cui le cariche elettriche liberate rimangono all’interno del materiale semiconduttore e possono contribuire alla conduzione.

Gli elettroni di valenza, infatti, vengono forniti di una carica sufficiente a passare nella banda di conduzione, e ad essere quindi utili alla conduzione elettrica. Per ogni elettrone che passa nella banda di conduzione, si crea una buca nella banda di valenza, in altre parole una mancanza di un elettrone.

Queste buche sono responsabili della conduzione di una carica positiva. L’energia che viene fornita all’elettrone deve essere maggiore della differenza di energia tra la banda di conduzione e quella di valenza (GAP).

Drogaggio

Per migliorare l’effecienza dei semiconduttori si effettua il drogaggio, che consiste nell’inserire nel semiconduttore alcuni atomi che presentano un diverso numero di elettroni di valenza.

Il caso più comune è quello del silicio che può essere drogato con un “drogaggio n” che introduce nella matrice tetravalente (con 4 elettroni di valenza) del materiale alcuni atomi di fosforo pentavalenti (con 5 elettroni di valenza), oppure un “drogaggio p”  che nella matrice del materiale introduce atomi di boro trivalenti.

Il primo drogaggio ha come risultato un elettrone libero nella matrice, mentre il secondo crea una buca.

Quando vengono messi a contatto un semiconduttore con drogaggio n e un semiconduttore con drogaggio p (giunzione p-n) e vengono esposti alla radiazione luminosa, gli elettroni in eccesso del primo semiconduttore hanno energia sufficiente per  migrare andando a riempire le buche del secondo semiconduttore.

Questo trasferimento di elettroni genera corrente elettrica. La migrazione continua sino a che non si raggiunge una situazione di equilibrio e in corrispondenza della giunzione si genera un campo elettrico che si oppone al passaggio di ulteriori portatori carica attraverso la giunzione.

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