Sappiamo che i pannelli solari fotovoltaici sono in grado di convertire l’energia solare in energia elettrica. Ma qual è il processo fisico che spiega questa conversione? Per capire cosa succede dobbiamo prima partire da un fenomeno chiamato effetto fotoelettrico.
L’effetto fotoelettrico non è altro che l’emissione di elettroni dalla superficie di un materiale colpito da radiazione luminosa. Il silicio è attualmente il materiale più usato come materiale per ottenere la conversione da energia luminosa ed energia elettrica.
Prima di continuare bisogna spiegare il significato di alcuni termini che userò di seguito.
- Semiconduttori
Sono materiali solidi che presentano una resistività intermedia tra quella dei conduttori e quella degli isolanti.
- Banda di valenza
E’ la più alta fra le bande di energia, in un semiconduttore o un isolante, in cui i livelli possono essere completamente occupati da elettroni.
- Banda di conduzione
Banda di energia parzialmente vuota, al di sopra della banda di valenza. Gli elettroni della banda di conduzione possono muoversi liberamente all’interno del solido, dando luogo ad una corrente elettrica.
(Distinzione tra isolante, semiconduttore e metallo in base all’ampiezza dell’intervallo proibito detto gap, che separa la banda di valenza dalla banda di conduzione. L’energia elettronica viene misurata in elettronvolt [eV]. In un isolante il gap è troppo elevato perché gli elettroni possano saltare dalla banda di valenza e quella di conduzione, quindi all’interno di questi materiali non è possibile il movimento libero di cariche elettriche).
Il silicio è adatto perché è un semiconduttore e quindi il gap (intervallo proibito) tra la banda energetica di valenza e quella di conduzione è abbastanza piccolo da consentire ad un fotone incidente di far “saltare” un elettrone dalla banda di valenza a quella di conduzione. Il gap viene ulteriormente ridotto grazie all’immissione di impurità all’interno del silicio (semiconduttore drogato). La radiazione che colpisce il silicio quindi è in grado di aumentare il numero di elettroni di conduzione all’interno del materiale. Questo ovviamente aumenta sensibilmente la sua conducibilità elettrica. Purtroppo questo processo non è molto efficiente e l’energia luminosa che viene convertita in energia elettrica difficilmente supera il 20%. Per questo motivo si stanno sperimentando anche altri materiali per aumentare l’efficienza di conversione energetica, oppure dei metodi ottici per “concentrare” l’energia luminosa sulla superficie dei pannelli fotovoltaici.
Una volta che il silicio (o altro materiale semiconduttore) ha una conducibilità elettrica aumentata, è facile costruire un circuito in cui si fa circolare la corrente prodotta e il gioco è fatto! Ovviamente la realizzazione pratica di un pannello solare fotovoltaico è un po’ più complessa di come ho scritto in questo post. Infatti il pannello fotovoltaico è formato da numerosi elementi fotosensibili chiamati celle solari che vengono collegate tra loro per formare il circuito in cui passa la corrente. Poiché i pannelli solari forniscono ovviamente corrente continua, sarà necessario utilizzare un inverter per convertire la corrente continua così prodotta in corrente alternata utilizzabile nelle nostre abitazioni.
Un certo numero di celle solari formano un modulo fotovoltaico (o pannello) e diversi moduli formano un array, come possiamo vedere nella illustrazione sotto.
Se invece avete la curiosità di sapere come funziona un impianto solare fotovoltaico, potete guardare questo filmato (della durata di poco maggiore ai 2 minuti), dove vengono descritte le nozioni più semplici su questo tipo di impianti. Buona visione a tutti.
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