Principio di funzionamento celle

Come d ett o, ci son o vari e tipol o gi e ti tecnolo gi e fo tov olt ai ch e, molt e an co ra in fase di sp eri ment azion e. Le p iù di ffuse e ch e in t eres sano al nost ro stu dio so no quell e al Sili ci o, per cu i an dremo di segui to a com pren dere com e ess e funzio n ano e qu ali t ipol o gi e si pos son o incont rare, t en en do in consi derazioni pregi e d ifetti del le u ne e d ell e alt re.

Part en do d al con cet to fo nd ament ale ch e la s orgent e di en ergi a di un sistema fot ovo ltai co è l a radi azi one sol are, ci oè l’en ergia el ettrom agn eti ca che spri gion a il sol e, di seguito v errà espo st o com e t ale tecnol o gi a cons en ta di tras fo rmare di ret tam ente l ’en ergi a solare in en ergi a elettri ca a parti re d a m at eri ali s emico ndut to ri.

Vedremo an ch e com e, in t al e setto re, s ia p resente un a leadershi p d el silici o, d ovu ta a s variati v ant aggi, q uali l’abbo nd anz a e l a co mpati bilit à ambi ent al e d ell a mat eri a p rim a, le b u one p ro pri et à el ett roni ch e del mat eri al e, l a stabilit à nel t emp o dei di sp ositivi e la fort e sin ergi a con l e tecnol o gi e del la mi croel ett ron ica.

Negli ultimi anni, però, inizi a a farsi strad a il fot ovolt aico ad alt a con cent razion e ch e utilizza celle ad altis sim a effi ci enz a, di piccol e dimensio ni ma mol t o cost os e a p ari tà di unit à di area ri spet to all e tradizion ali , caratt erizzate d a con cent rat ori otti ci di grand e sup erfi ci e semp re pun tat i verso il sol e per in tercett arn e ort o go n alm ent e la com pon ent e di rett a d ell a radi azion e.

Consid eri amo o ra il caso di un a tradizi o nal e cell a fot ovo ltai ca di sil ici o cri st allin o p er s piegare i m eccanismi fis ici all a b as e di tale effetto .

Il p rin ci pio ch e st a alla base d el funzi on ament o d ell e cell e fot ovolt ai ch e è d ett o “Effetto Fo tovol tai co ”.

Consist e n ell a cap acità d i un a giunz ion e el ett rica, opp ortu nament e realizzata, di asso rbi re energia d ai fot oni (lu ce) e conv erti rla i n corrent e.

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Il Si lici o ha 4 elettroni di “Val enza ”, ci oè qu att ro elet troni nell ’o rbit al e più est erno . Fo rn en d o a qu es ti u na op po rtun a q uantit à d i en ergi a (per il semi -con dutt ore Sili cio si p arl a di 1. 1 2V), sott o form a di luce o di calo re, essi po sson o ess ere lib erat i n el reticol o, es sendo così in grado di salt are dal la band a di “Val en za ” a qu el la di “Condu zion e”, las ci and o uno sp azio vuot o n el reti colo cri stal lino d etto “L acun a”.

A qu es to p unt o, p erò, si ott errebb e un movim ent o dis ordin ato di cariche di s egn o o ppo sto , os tacol ato d a cont inui fenom eni di ri com bi nazio ne tra el ettroni e lacun e, ch e h a come uni co risu ltato un a produzi on e di cal ore. Effetto as solut am ent e i nutil e per i l n ost ro fi ne.

Se, p erò, si ri es ce a d are un o ri entam ent o preferenzi al e a tal i spost am enti , si ott iene un a p ro duzio ne di co rrent e elettri ca.

Crean do un o ppo rtu no cam po el ett rico, si ri es ce a fare i n m odo ch e gl i el ettroni i n eccesso , ori gin ati d all ’asso rbi ment o d ell a lu ce, si ano s ep arati dall e ri sp ettiv e l acune, obb li gand o gl i elet troni ad an d are in u na direzion e e le lacun e nell’alt ra.

Ott eni amo, così , u na co ncentrazio ne di cari che po sitiv e da un a p art e e di negati ve d all ’altra, det ermin an do un a d ifferenza di pot enzi al e ch e, se coll egat a ad u n carico est erno, produ ce co rrent e el ett ri ca e qui ndi raggiu n gi amo il nost ro fin e.

Per fare qu est o s i s frutta la “Giunzion e p -n”.

Attrav erso opp ort uni trat tam enti fi sici-ch imici , si p rod uce u n eccess o di “La cune” d a u n l ato d el cond utto re (p) e un ecces so d i el ett ro ni dall ’alt ro l ato (n ). Qu est a op erazion e è dett a “Droga ggio ”: dro gando la strut tu ra crist alli na del Sil ici o (tet rav al ente) con un el ement o tri val en te (es. il Boro ) si otti en e un a l acun a p er o gni at omo int ro dot to (lato p ), dro gando l a struttu ra co n un el em ent o pen taval en te (es . il Fo sforo ) si libera u n el ettron e p er o gni atom o i ntrod otto.

Se pren di amo un el ement o co n dro gaggi o p e uno con d ro gaggio n e li accosti amo , crei amo la giunzio n e p -n .

A qu esto p unto av rem o ch e, per diffusion e, gl i el ett ron i liberi di muov ersi n el reti col o crist all ino p ass ano dal la zon a n all a z ona p e l e lacun e i n s enso o ppost o, così ch e i l sili cio di tipo n si cari ca

49 positi vam ente e qu ello di tipo p si cari ca n egati v ament e (Figura 4.2 -1 ) in p ros simit à d ell a zona di cont atto , d ett a di “ca rica sp azial e”.

(Fi gura4. 2-1)

Un a v olta raggiu nto l’equ ilib rio , si crea un campo el ett ri co intern o ch e impedis ce alle l acun e d i p ass are in n e agl i elettroni di pass are in p . A qu est o p unto , n el momento i n cui il semi -con dutt ore vi ene s timol ato dai fotoni d ell a l uce sol are, t al e campo i nterno p ermette l a rottu ra d ell e cop pi e elet tron e-l acuna che si v en gon o a creare grazie al s alto di band a dell ’elettron e, favo rendo l a ci rcol azion e d egli el ett ro ni i n eccesso.

Ultim e p arti fo nd am ent ali, ai fini del co rret to fu nzion am ento dell a cell a, sono i cont atti m etallici pres en ti su ent ramb e l e s up erfi ci (s uperio re ed inferio re) ch e ha il compito di conv o gli are il fl uss o di elet tro n i.

In ferio rm ent e (l ato nascosto ) il cont atto met all ico o ccu pa t utt a l a sup erfi ci e, s up erio rment e (l ato es post o al sol e) il con tat t o è fatto a gri glia, così d a dimi nuire la su perficie ri flettent e.

Se il ci rcuito è ap ert o, mis uri am o sol am ent e un a d. d.p . (dovut a all a maggio re co ncent raz ion e di elett ro ni in n e di lacu n e in p), ment re se è chi uso, cio è col legato ad un carico, ott eni amo , o ltre ad u n a d.d .p. un a co rren te.

Può s ucced ere, p erò , ch e alcuni el ett ro ni n on ri es cano a raggiun gere questi co nt atti m et allici , and an dosi a “ri co mb ina re” con l e l acun e di segno opp osto .

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Ent ra in gio co l a “Distan za di diffusion e”, ci oè i l tratto ch e, all’int erno del reti colo crist all ino, un el ettron e d ev e cop ri re prima di pot ersi ricombi nare con u n atom o. M aggio re è questo v al ore e più è p rob abi le ch e gli el ettroni lib eri ri es cano a raggi un gere i co ntatti m et all ici.

A qu esto punt o si ottiene un fluss o es terno ch e v a da n (pot enzi al e maggio re) a p (pot en ziale min ore).

Fin tanto che l a cell a è esp ost a all a lu ce solare e ch e, qui ndi, ai fot oni è perm esso di int eragire con l a gi unzio ne, s i otti en e un a co rren t e con tinu a.

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4.3

Schema impianto:

Per inizi are lo st udi o, ci b asi amo su lla pro get tazi on e civi le di impianti foto volt ai ci i n cui si poss ono avere d ue casi:

1. un coll egam ento diretto co n ret e elett ri ca e p ossi bil e s cam bio di en ergi a (es. v end en do all a rete n azio n al e l 'energi a p rod ot ta i n eccess o d ai p ann ell i sol ari risp ett o al consum o). In qu esti casi l'ut enza può cont are sia su ll 'en ergi a el ett rica prodot ta d al p an nell o foto volt ai co si a s ul la no rm al e ero gazi o ne di en ergi a d ell a ret e nazio nal e. Il cos to final e in boll ett a s arà il s ald o al gebrico tra i due fluss i di en ergi a. Qu est a tip olo gi a è dett a “Grid -Conn ect” e può es sere di p iccol e d imensi oni, ad es empio pi ccole ut enz e, o di grandi dim ens ioni , com e n el caso di cent rali fotov olt aich e. Il prin ci pio di fu nzio nam ent o è basat o sul fatto che, l 'en ergi a el ettrica prodo tta d ai pann elli sol ari vien e cedut a di ret tam en t e all a ret e elet tri ca nazi on al e e co nt eggi at a a credit o da un o sp eci ale con tat ore del gest ore della ret e el ett ri ca.

2. Il si st ema no n v iene co nn ess o all a rete. Pert an to non ced e ad ess a l'energi a che ev ent ualm ent e vi en e p ro dott a in ecces so m a la accumul a i n app os ite bat teri e lo cali . Qu est a poss ibilit à di immagazzin are cons enti rà, in un s econ d o temp o, l 'ero gazion e all e utenze d 'i nt eress e. Qu esto ti po di sist ema è d ett o “S tand-Alon e” ed h a l 'in dub bio v antaggio di fo rni re energi a el ett ri ca in l uo ghi an co ra s cop erti d all a rete el ett ri ca e ris ol vere, q uindi , il pro bl em a dell e u tenze diffi cili ed il cost o so ci al e di al lacci amento all a rete el ettrica, d ecis ament e el ev ato.

Per o vvi mo tivi l egati all 'i mpos sibil ità d i all accio all a ret e elett ri ca, si decid e di realizzare un im pi anto “S tan d-Al one”, al trim enti det to “ad

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ess ere i n grad o di garanti rn e la fo rnit ura per un cert o num ero di gio rni, a pres cind ere d all 'all accio all a rete fiss a.

Di s eguit o, (Fi gura 4.3 -1 ), vi en e ripo rt ato un gen eri co s ch ema circui to “Stand-Alon e” n el quale so no i ndi cati tutti i comp on enti n eces sari n el caso di un im pi anto civil e che s erve ut en ze d a 230 V e [ ] 24 V : [ ]

(Fi gura 4 .3 -1)

Si oss erva ch e i p an nelli ven go no coll egati in parall elo al regol ato re di cari ca e d a qui l 'en ergi a vi en e imm agazzi nat a nel b an co b att erie.

A q uesto punt o, se l 'ut enza d a 230 V ri chi ed e co rrent e, qu est a p asserà [ ] att ravers o l 'inv ertito re altrimenti, s e a ri chi ed ere co rrent e so no l e ut enze da 24 V , la co rren te passerà d a un s eco nd o regol at ore di carica e [ ] successi vamente a t ali ut enz e.

Nel no stro cas o n on risul ta n eces sario l 'i mpiego di un inv erti tore, perch é le ut enz e che an dremo ad alim ent are n on n e h ann o necess i tà, ess en do tutte d a 24 V . [ ]

L'en ergia elettri ca p rod ott a è no rm almen te a b ass a tensio ne e a corrent e con tinu a, quin di p er ess ere uti lizzat a n elle abit azioni va t rasfo rm at a in

53 co rren te altern at a a 220 V . Q uesto è res o poss ibile d all 'utilizzo di uno [ ] strum ento chi am ato inv ert er. Nel no stro caso, p erò, d ov remo an dare ad accumul are en ergi a i n batt eri e che fu nzio nan o a 24 V , stivat e n ell a sal a [ ] macchin e, ed al imen tare ut enze al la medesi ma tensio ne, p er cui non è necess ari o l 'utilizzo di qu es t 'ult imo.

In ol tre, tal e i nv ert er serv e u nicam en te p er le ut enze a 230 V in as senz a [ ] di alim ent azion e di b an chi na o generato re.

Come ci rcuit azion e ci appo ggi amo all 'i mpianto p re-esi stent e, al qu al e and iam o ad aggi un gere s olo l a part e rel ativ a ai p an nelli, regol ato re di cari ca e all acci o al circuito .

In fat ti, i p an nelli, il cui num ero v errà ottenuto più av ant i, ven go no coll egati ad un rego l ato re di cari ca, ch e ne m odul a l a co rrent e in us cit a ad un val ore m as si mo di 20 A . V en go no i n stall ati , t ra il circui to p re-[ ] esist ente e la p arte rel ativ a ai p an nel li, d egli int errutto ri m agnet o-t ermi ci da 25 A , per evit are sovraco rrenti e co rti -ci rcuiti s ull a linea, [ ] assi cu rand o ci ch e l a co rren te no n v ad a a rovin are i p an nelli.

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CAPITOLO QUINTO