Gli impianti fotovoltaici

Un pannello fotovoltaico riesce a trasformare la luce del sole direttamente in energia elettrica (corrente continua). Questi pannelli sfruttano un fenomeno che si chiama "effetto fotovoltaico" e che si realizza in alcuni materiali, come il silicio, che vengono definiti semiconduttori
Normalmente un impianto fotovoltaico per un'abitazione è costituito, oltre che dai pannelli con le celle di silicio, anche da un inverter che trasforma la corrente continua prodotta dal pannello in corrente alternata in modo che possa essere usata dai normali elettrodomestici. Inoltre l'inverter è collegato a un contatore GSE (Gestore Servizi Elettrici) che è in grado di misurare l'energia che l'impianto cede alla rete elettrica.
In pratica, se non c'è nessuno in casa l'energia prodotta viene venduta al gestore permettendo un notevole risparmio.
Come funziona una cella fotovoltaica?

Per riuscire a capire dobbiamo partire da alcuni semplici concetti di chimica e fisica.

1) Ogni sostanza è formata da atomi e ogni atomo è a sua volta formato da neutroni, protoni ed elettroni. I protoni (dotati di carica elettrica positiva) e i neutroni formano il nucleo dell'atomo, mentre gli elettroni (dotati di carica elettrica negativa) orbitano intorno al nucleo e concorrono talvolta a creare legami con altri atomi.

2) L'energia elettrica consiste in un flusso di elettroni. Se voglio produrre energia elettrica devo trovare il modo di farmi "prestare" degli elettroni e incanalarli in un mezzo conduttore, come un cavo di rame.

L'effetto fotovoltaico

Normalmente in un materiale isolante, gli elettroni sono strettamente legati ai loro atomi e non possono muoversi (essi non riescono a passare dalla banda di valenza alla banda di conduzione), questi materiali non possono condurre elettricità perchè impediscono ad altri elettroni di passare (diciamo che sarebbe come cercare di entrare in un autobus pienissimo in cui nessun passeggero vuole spostarsi di un centimetro). Nei materiali conduttori invece gli elettroni sono liberi di muoversi da un atomo ad un altro. Se si applica una differenza di potenziale ai due capi di un conduttore gli elettroni possono fluire liberamente spostandosi tra gli atomi.
Esiste una terza categoria di sostanze, i semiconduttori come il silicio.


L'atomo di silicio possiede 14 elettroni, quattro dei quali sono elettroni di valenza, che quindi possono partecipare alle interazioni con altri atomi, sia di silicio sia di altri elementi. In un cristallo di silicio puro ogni atomo è legato ad altri quattro atomi. Quando un cristallo di silicio è colpito dalla luce, qualcono degli elettroni condivisi "salta" lasciando una lacuna.

Nei materiali semicondutori, gli elettroni se ne stanno buoni buoni intorno ai loro atomi senza spostarsi, come succede nei materiali isolanti. Può succedere però che, se questi elettroni vengono colpiti da un raggio di luce (fotone) possono "schizzare via" e muoversi come gli elettroni dei materiali conduttori (passano dalla banda di valenza a quella di conduzione).
Questo fenomeno è detto effetto fotovoltaico.
L'elettrone che si sposta si lascia dietro un posto vuoto, una lacuna.
Ogni elettrone, non sapendo bene dove andare, finisce per occupare una lacuna lasciata da un altro elettrone, quindi, pur essendoci elettroni che saltellano qua e là non ottengo un flusso ordinato, cioè una corrente elettrica.

Il drogaggio dei semiconduttori

Il nostro problema dunque è quello di "incanalare" e far muovere tutti nella stessa direzione gli elettroni che si liberano grazie all'effetto fotovoltaico. Qualche genio ha risolto il problema drogando il silicio.
Per drogare il silicio, non si ricorre a degli spacciatori, ma si inseriscono nel reticolo del cristallo atomi appartenenti al terzo o al quinto gruppo del sistema periodico degli elementi, in modo da ottenere due strutture differenti, una con un numero di elettroni insufficiente, l'altra con un numero di elettroni eccessivo.
Generalmente si utilizzano il boro (terzo gruppo) ed il fosforo (quinto gruppo).
Un atomo di boro dispone di soli tre elettroni di valenza, quindi nel punto dove viene inserito si forma una lacuna (manca un elettrone di legame). Un atomo di fosforo invece dispone di cinque elettroni di valenza, quindi nel punto dove viene inserito ci sarà un elettrone libero che non riesce a legarsi a nessun atomo di silicio. Il silicio drogato con boro (con eccesso di lacune) viene chiamato di tipo p, mentre quello drogato con fosforo (con eccesso di elettroni) viene chiamato tipo n.

Se si costruiscono due placche di silicio molto sottili, una drogata con fosforo (tipo n) e una drogata con boro (tipo p) e si mettono a contatto, succederà che gli elettroni liberi, abbondanti nel silicio di tipo n, migreranno verso il silicio di tipo p, cercando di riempire le lacune lasciate dal boro.
Il silicio di tipo n e di tipo p sono neutri dal punto di vista della carica elettrica in quanto il numero di elettroni presenti è compensato dal numero di protoni dei nuclei atomici, quando però gli elettroni si spostano le cariche elettriche non sono più bilanciate e il silicio di tipo p risulta carico negativamente (a causa degli elettroni che sono arrivati), mentre quello di tipo n risulta carico positivamente (a causa degli elettroni che se ne sono andati.
Per adesso la nostra cella non ha prodotto energia elettrica, le due placche di silicio però hanno acquistato cariche elettriche opposte e stanno generando un campo elettrico.

Che succede adesso?

Se esponiamo alla luce le nostre due placche, i fotoni che colpiscono gli atomi di silicio in prossimità della giunzione p-n provocheranno il solito effetto fotovoltaico, mettendo in moto elettroni che passano dalla banda di valenza a quella di conduzione.
Questa volta però gli elettroni (cariche negative) sanno dove andare, essi infatti saranno attratti dal silicio di tipo n che ha carica elettrica positiva, mentre le lacune (cariche positive) che si formano seguiranno il percorso opposto. Quindi, se si connette la giunzione p-n con un conduttore, nel circuito esterno si otterrà un flusso di elettroni che parte dallo strato n, a potenziale maggiore, verso lo strato p, a potenziale minore. Fino a quando la cella resta esposta alla luce, l'elettricità fluisce con regolarità sotto forma di corrente continua.
OK Controlliamo se è tutto chiaro
(FAI ATTENZIONE, inserisci sempre i termini scrivendo minuscolo)
L'effetto fotovoltaico si realizza in alcuni materiali chiamati (1) . Quando questi materiali vengono esposti alla luce alcuni elettroni "saltano" passando dalla banda di (2) alla banda di (3) . Quasto fenomeno è detto effetto (4) . Per costruire un pannello fotovoltaico si ricorre al (5) dei semiconduttori. In pratica si inserisono all'interno dei cristalli di silicio atomi di (6) e di fosforo. In questo modo si crea una migrazione di elettroni dal silicio di tipo (7) (con eccesso di elettroni), a quello di tipo (8) (con eccesso di lacune).
Tra le due placche di silicio si genera un (9) , questo induce gli elettroni che si liberano con l'effetto fotovoltaico a muoversi tutti nella stessa direzione.
In questo modo si genera una corrente (10) , per trasformare la corrente continua in corrente alternata è necessario un (11)