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