In questo articolo, primo di una serie sulle energie rinnovabili, scopriremo cos'è e come funziona l'effetto fotovoltaico, che sta alla base della produzione di energia elettrica dalla luce solare negli impianti fotovoltaici.

Effetto fotovoltaico: un po' di storia

Lo scopritore dell'effetto fotovoltaico fu Antoine Cesar Becquerel, fisico francese nato a Châtillon-Coligny nel 1820 e morto a Parigi nel 1878. Nel 1839 Becquerel scoprì per caso che la luce solare aveva degli effetti su una cella elettrolitica con elettrodi di platino che stava studiando. Nel 1870 fu il tedesco Heinrich Hertz (Amburgo, 1857 - Bonn, 1894) a studiare l'effetto fotovoltaico sul selenio, mentre nel 1876 Willoughby Smith, William Grylls Adams e Richard Evans Day conclusero che le celle elettrolitiche erano in grado di convertire la luce in elettricità con una efficienza tra l'1% e il 2%.

La spiegazione scientifica dell'effetto fotovoltaico fu data solo da Albert Einstein nel 1905, scoperta che gli valse il Premio Nobel per la fisica nel 1921. Dovettero tuttavia passare oltre 30 anni prima che questo fenomeno potesse avere un'applicazione pratica: la prima cella fotovoltaica fu realizzata in silicio nei laboratori Bell ad opera di Gerald Pearson, Calvin Fuller e Daryl Chapin.

Il principio di funzionamento dell'effetto fotovoltaico

La cella fotovoltaica altro non è che ciò che in elettronica viene definita una giunzione p-n, come quella del diodo, realizzata partendo dal silicio cristallino puro e drogandone una parte con un elemento di tipo P ( come il Boro ) e l'altra parte con un elemento di tipo N ( come ad esempio il Fosforo ).

Nella giunzione non può entrare la luce, quindi quando i fotoni incidono sul silicio delle celle ne urtano gli atomi e, se il fotone presenta un'energia sufficiente, scalza un elettrone dal proprio posto. L'elettrone scalzato viene quindi catturato dal campo elettrico creato dalla giunzione P-N che lo trascina nella zona N. Dalla zona N può fluire attraverso i contatti della griglia elettrica fino al carico elettrico e, quindi, tornare attraverso i conduttori nella zona P. Qui si ricombinano con le lacune , cioè le cariche positive che sono state trascinate nella zona P.

Quando la luce, attraverso un numero elevato di fotoni di energia sufficiente, mette in atto il moto di un elevato numero di elettroni attraverso il processo sopra descritto, provoca il passaggio di una corrente elettrica.

Funzionamento di una cella fotovoltaica e della giunzione P-N

Abbiamo detto che il processo descritto nel paragrafo precedente si innesca solo se il fotone ha un'energia sufficiente. Solo una parte dei fotoni incidenti genera una corrente elettrica e non tutta l'energia posseduta dal fotone ( E = v * h ) si trasforma in energia elettrica. Questo determina un'efficienza piuttosto bassa delle celle fotovoltaiche : le più efficienti possono arrivare ad un rendimento di circa il 14% .

Vediamo nel dettaglio cosa può accadere a un fotone di luce solare che incide sulla cella. Le varie casistiche si possono suddividere in due comportamenti:

1. generare una coppia di portatori di carica ( lacuna-elettrone );
2. non generare una coppia di portatori di carica.

La coppia di generatori di carica non viene generata se:

1. il fotone viene riflesso senza neanche entrare nella cella fotovoltaica;
2. il fotone incide sulla griglia metallica e quindi non entra nella cella. Questo spiega perché la griglia metallica dovrà al tempo stesso avere molti conduttori per raccogliere la corrente in forma capillare, ma al tempo stesso averli molto sottili per permettere a più luce possibile di passare;
3. il fotone ha lunghezza d'onda maggiore di 1.100 mm e quindi energia inferiore a 1.1 eV³ , questa è troppo bassa per poter creare coppie lacuna-elettrone e quindi il fotone non da origine ad alcun fenomeno apprezzabile;

Nei casi invece in cui viene generata la coppia di portatori di carica, questo può avvenire:

1. all'interno della regione di carica spaziale della giunzione; il campo elettrico che è presente in questa regione porterà quindi l'elettrone verso la zona N e la lacuna verso la zona P, dando così origine alla fotocorrente;
2. all'esterno della regione di carica spaziale, ma raggiungerla ugualmente per diffusione e si crea ugualmente la fotocorrente;
3. all'esterno della regione di carica spaziale, ricombinandosi senza raggiungerla e senza dare quindi origine alla fotocorrente.

Rendimento ed efficienza di una cella fotovoltaica

Delle 6 casistiche descritte nel paragrafo precedente, solo in 2 casi si origina una corrente fotovoltaica. Questo spiega il rendimento relativamente basso delle celle fotovoltaiche, che raramente supera il 20%. La sfida perché le energie rinnovabili siano sempre più convenienti, anche senza l'elargizione di incentivi da parte dei governi, è ovviamente legata a tecnologie costruttive sempre più efficienti.

In particolare l'efficienza è molto legata alla tipologia di silicio impiegata. Infatti:

• le celle fotovoltaiche in silicio amorfo sono le più economiche ma al tempo stesso meno efficienti. Il loro rendimento si attesta intorno al 5-6%;
• le celle fotovoltaiche in silicio monocristallino sono le più efficienti, con un rendimento che si attesta tra il 15 e il 20%;
• le celle fotovoltaiche in silicio policristallino sono invece quelle caratterizzate dal miglior rapporto qualità/prezzo, con un rendimento intorno al 13%.