Effetto fotovoltaico

 Cosa è l’effetto fotovoltaico?

L'effetto fotovoltaico è un processo fisico in grado di convertire l'energia solare in energia elettrica. Esso fu scoperto dal fisico Becquerel nel 1839. Ma si dovette attendere il 1905 quando Albert Einstein pubblicò la spiegazione teorica dell'effetto fotoelettrico (di cui l'effetto fotovoltaico è una particolare categoria) per poterne capire il meccanismo su cui si basa. Per tale scoperta Einstein fu insignito del premio Nobel per la Fisica. Nel prosieguo dell'articolo proviamo a spiegarne il suo funzionamento in maniera più semplice possibile senza eccessive complicazioni teoriche e le sue applicazioni in special modo per la produzione di energia elettrica.

Funzionamento dell’effetto fotovoltaico.

'effetto fotovoltaico è una delle prove della duplice natura della luce: corpuscolare ed ondulatoria. All'origine si era attribuito alla luce una natura di corpuscoli ma poi con Maxwell si era teorizzata la sua natura di onde elettromagnetiche. L'effetto fotovoltaico sancì definitivamente la doppia natura: corpuscoli (fotoni) ed onde. L'effetto fotovoltaico si basa sul principio che se un radiazione luminosa investe un materiale (sia esso isolante, conduttore o semiconduttore) può, in particolari condizioni, cedere una energia tale agli elettroni dello strato più esterno da spezzare i vicoli che li tengono legati agli atomi di origine e farli allontanare. La mancanza dell'elettrone genera nell'atomo che ne resta privo una carica positiva che viene detta lacuna. L'energia minima necessaria per produrre una lacuna è valutabile in quantità discrete e deve essere tale da consentire a questo di passare dalla banda di valenza a quella di conduzione. Ossia deve essere superiore a quella della banda proibita del materiale. Negli isolanti poiché i valori della banda proibita sono elevatissimi occorrono valori di energia troppo elevati per essere trasportati dalla radiazione  e quindi è impossibile per l'elettrone a rendersi libero. Nei conduttori invece il gap della banda proibita e bassissimo e basta la normale agitazione termica a creare una continua creazione e distruzione di coppie lacune/elettroni. Nei semiconduttori il gap della banda proibita e tale da rendere disponibili un numero di lacune tali da poter essere utilizzato per generare una corrente elettrica. Per ottenere il passaggio di corrente è necessario che venga creato all'interno del materiale un campo elettrico. Campo elettrico che può essere prodotto realizzando un eccesso di atomi caricati positivamente affiancato da atomi caricati negativamente. Per realizzare praticamente questa situazione si costruisce nel semiconduttore quella che viene chiamata una "giunzione". Giunzione che si fa affiancando due strati di semiconduttore di cui una è stato drogato positivamente e l'altro negativamente. Il drogaggio si effettua sostituendo nel reticolo cristallino del materiale semiconduttore (IV gruppo della tavola periodica e quindi 4 elettroni sull'ultima orbita) alcuni atomi con atomi una volta del III gruppo ed una volta de V gruppo. I due lati della giunzione hanno  da una parte eccesso di cariche negative (elementi del V gruppo) e dall'altro difetto (elementi del III). Quando vengono a contatto si ha una migrazione di cariche negative dalla zona n che ha elettroni in eccesso alla zona p che ne ha in difetto. All'equilibrio si ha un eccesso di cariche positive sulla zona p ed un eccesso di cariche negative sulla zona n e di conseguenza la creazione del campo elettrico. Ora se la luce e quindi dei fotoni colpiscono la giunzione dalla parte della zona n vengono a crearsi in entrambi i lati coppie elettroni/lacune che vengono spinti in direzioni opposte dal campo elettrico presente nella zona di giunzione. Collegando i due lati della stessa con un conduttore metallico esterno si avrà un flusso di elettroni che da n si muove verso p.

Effetto fotovoltaico e sue applicazioni.

Il principio dell'effetto fotovoltaico viene applicato nelle celle fotovoltaiche che perciò una volta esposte alla luce solare generano direttamente corrente elettrica. Le celle fotovoltaiche opportunamente collegate servono a formare i pannelli fotovoltaici che servono a produrre corrente elettrica dall'energia radiante del sole.

Approfondimenti su: Effetto fotovoltaico in energia solare o in energia Solare.

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