Bande di energiaLivelli energetici degli elettroniLivelli energetici degli elettroni

(1)

L’effetto Fotovoltaico

Carla sanna

sanna@sardegnaricerche.it

lab.fotovoltaico@sardegnaricerche.it

Seminario tecnico sugli impianti fotovoltaici per amministrazioni ed enti pubblici

1

Carla sanna Cagliari 19 settembre 2008 - Sala Anfiteatro, via Roma 253

(2)

2 Becquerel nel 1839 osservò per la prima volta l’effetto

fotovoltaico mentre effettuava degli esperimenti con delle celle elettrolitiche con elettrodi in platino

Un po’ di storia….

A seconda dei materiali che costituivano gli elettrodi in seguito all’esposizione degli stessi alla radiazione solare si osservava un aumento della corrente.

1905: Einstein teorizza scientificamente l’effetto fotoelettrico che gli vale il premio nobel del 1921

1954:Viene realizzata la prima cella FV sperimenta nei Bell Labs da Chapin, Fuller, Person.

1963:Inizia la commercializzazione dei primi Moduli FV.

1876: Gli studi sull’effetto fotovoltaico proseguono con Smith, Adams e Day

(3)

3 Grazie all’effetto fotovoltaico la luce del sole viene sfruttata per produrre energia

elettrica utilizzabile

Conversione diretta di energia solare in energia elettrica

si sfrutta l’interazione della radiazione luminosa con gli elettroni di valenza di una

particolare classe di materiali

Photovoltaic photo = luce volt = tensione

L’energia luminosa genera una differenza di potenziale (tensione)

che può essere usata per

generare corrente elettrica

(4)

4 Effetto fotoelettrico:

emissione di cariche negative da una superficie, solitamente metallica, quando questa viene colpita da una radiazione luminosa).

Effetto di soglia: si ha effetto fotoelettrico solo se la frequenza della radiazione luminosa incidente è superiore al valore della soglia fotoelettronica

hν > W

₀

E = hν

Energia dei fotoni incidenti

W

₀

lavoro di estrazione del materiale

E

_cin

= hν-W

₀

> 0

E

_cin

Energia cinetica degli elettroni fotoemessi

H

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5

Carla Sanna Cagliari 19 settembre 2008 - Sala Anfiteatro, via Roma 253

La caratteristica importante dell’effetto fotoelettrico è di dipendere dalla frequenza della radiazione, che determina l’energia del fotone, e non dall’intensità della luce.

Energia del fotone minore del lavoro di estrazione

No effetto fotoelettrico

Energia del fotone minore del lavoro di estrazione

effetto fotoelettrico

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6 Caratteristica I_V di una cella FV

Nell’effetto fotovoltaico vengono create coppie elettrone-buca, ovvero portatori di carica negativi e positivi all’interno del semiconduttore che opportunamente incanalati

portano alla conduzione elettrica.

L’effetto fotovoltaico non è altro che un effetto fotoelettrico interno

Le cariche elettriche che vengono liberato rimangono all’interno del materiale e possono

contribuire alla conduzione

La Conversione Fotovoltaica

La conversione diretta dell’energia solare in energia elettrica, utilizza il fenomeno fisico dell’interazione della radiazione luminosa con gli elettroni di valenza nei materiali

semiconduttori, denominato Effetto Fotovoltaico

(7)

7 Comportamento elettrico dei materiali:

isolanti

conduttori

semiconduttori

comportamento degli elettroni degli atomi che costituiscono il materiale

Gli elettroni non si possono muovere Non c’è conduzione elettrica

Hanno proprietà intermedie tra

quelle degli isolanti e quelle dei conduttori

Gli elettroni sono mobili C’è conduzione elettrica

(8)

8 Atomo isolato Es: Si che ha 14 elettroni

D

Distanza fra gli atomi

Bande di energia

∞ ∞

Livelli energetici degli elettroni

d

Distanza fra gli atomi

Banda proibita (GAP) Livelli energetici degli elettroni

Livelli energetici non occupati

Livelli energetici occupati

E

E E

Formazione delle bande di energia

(9)

9 Banda di valenza Banda di conduzione Banda proibita ( GAP)

Esistono tre tipologie di bande di energia entro le quali si possono posizionare gli elettroni:

Formazione delle bande di energia

E E

GAP ampio

4- 7 eV GAP piccolo

~ eV

BC

Sovrapposizione della banda di

Conduzione e della banda di valenza Banda di valenza e di conduzione Separate da un grande GAP

Banda di valenza e di conduzione separate da un piccolo GAP

(10)

10

E

GAP piccolo

~ eV

Banda di valenza e di conduzione separate da un piccolo GAP

Fornendo al materiale semiconduttore una quantità di energia superiore al gap gli elettroni hanno la possibilità dii passare dalla banda di valenza ( BV) alla banda di conduzione (BC) contribuire dunque alla conducibilità elettrica.

Elettroni di valenza

(11)

11

Carla Sanna Cagliari 19 settembre 2008 - Sala Anfiteatro, via Roma 253 Banda di valenza e di conduzione

separate da un piccolo GAP

Fornendo al materiale semiconduttore una quantità di energia superiore al gap

di energia, gli elettroni hanno la possibilità di passare dalla banda di valenza ( BV) alla banda di conduzione (BC) e contribuire dunque alla conducibilità elettrica.

E

GAP piccolo

∆∆∆

∆ ~ eV

Per ogni elettrone che passa dalla banda di valenza alla banda di

conduzione una buca ( mancanza di elettrone) si forma in banda di

valenza

Nel semiconduttore la conduzione è dovuta dunque a due tipi di portatori di carica:

Elettroni ( cariche negative)

Buche o lacuna ( cariche positive)

hν >∆

semiconduttori

(12)

12

Banda di valenza Banda di conduzione

Serve dell’energia perché un elettrone possa passare dalla banda di valenza alla banda di conduzione

L’energia deve essere superiore al valore del GAP di energia della banda proibita

semiconduttori

Silicio GAP :

quindi l’energia del fotone ε = hν deve essere > del GAP ∆

L’energia del fotone ε si può esprimere in funzione delle Lunghezza d’onda della radiazione incidente:

c h ε = λ

c = 3 x 10⁸m/s

1 eV = 1.60217646 × 10^-19joule

ε > ∆

∆ =1.12 eV

Non tutta la radiazione è in grado di produrre coppie elettrone -buca

Es:

∆ =1.12 eV

lma

) 10

6 . 1 ( ) 12 . 1 (

sec) / 10 3 ( sec) 10

6 . 6 (

19

8 34

max

Joule

m Joule

hc

−

×

⋅

= ×

= ∆ λ

m

m µ

λ

_max

≅ 1 . 11 × 10

⁻⁶

= 1 . 11

(13)

13 Radiazione di lunghezza d’onda maggiori non producono effetto fotovoltaico

m

m µ

λ

_max

≅ 1 . 11 × 10

⁻⁶

= 1 . 11

Per il silicio

(14)

14 Per migliorare il comportamento elettrico di un semiconduttore si effettua Il drogaggio dello stesso

Es: Silicio puro ( tetravalente)

Ogni atomo ha 4 elettroni di valenza

Che si legano covalentemente ad altri 4 atomi

Drogato n: atomo pentavalente

in matrice tetravalente Drogatop: atomo trivalente

in matrice tetravalente

Cos’è il drogaggio di un semiconduttore?

(15)

15 La giunzione p-n

Cristallo semiconduttore costituito da due strati di semiconduttore che abbiano rispettivamente un eccesso di cariche negative ( strato n)

e un eccesso di cariche positive ( strato p)

Strato n Strato p

Giunzione p-n

-

+

+ + +

+ - +

- - -

-

Semiconduttore drogato n Semiconduttore drogato p

(16)

16 La giunzione p-n

Cristallo semiconduttore costituito da due strati di semiconduttore che abbiano rispettivamente un eccesso di cariche negative ( strato n)

e un eccesso di cariche positive ( strato p)

Strato n Strato p

Giunzione p-n

- + + + +

+ +

- - - -

-

Le cariche + in eccesso migrano dallo strato p allo strato n +

Le cariche + in eccesso migrano dallo strato n allo strato p -

(17)

17 La giunzione p-n

Cristallo semiconduttore costituito da due strati di semiconduttore che abbiano rispettivamente un eccesso di cariche negative ( strato n)

e un eccesso di cariche positive ( strato p)

Strato n Strato p

Giunzione p-n

- + + + +

+ +

- - - -

-

La migrazione continua sino a che non si raggiunge una situazione di

equilibrio e in corrispondenza della giunzione si genera un campo elettrico

E che si oppone al passaggio di ulteriori portatori carica attraverso la giunzione

(18)

18 La giunzione p-n

+ + + +

+ +

n

p

- - - - - - -

+ E

Illuminando la giunzione p-n, si formano delle coppie

elettrone buca, che a causa del campo elettrico

vengono separate.

(19)

19

Carla Sanna Cagliari 19 settembre 2008 - Sala Anfiteatro, via Roma 253 Carico esterno

Banda di conduzione

(stati eccitati)

Banda di valenza

(stato fondamentale)

Elettroni di valenza

+

-

Elettroni liberi

Radiazione luminosa Fotoni

Schema di una cella solare

(20)

20 Caratteristica I_V di una cella FV

(21)

21 Caratteristica I_V di una cella FV

0.75

0.50 0.25 1.00

0.00 I _m

I [A]

0.00 0.20 0.40 V _m ^0.60 ^{V [V]}

Punto di massima potenza Pm= Vm⋅ Im

Caratteristica I-V di una Cella Solare

I _sc

V _oc

Isc →

CORRENTE DI CORTOCIRCUITO (V=0)

Voc →

TENSIONE A VUOTO (I=0)

Condizioni di

funzionamento

Ottimale della cella

(22)

22 Punto di massima potenza P

_m

= V

_m

⋅ I

_m

0.75

0.50 0.25 1.00

0.00 0.00

0.10 0.20 0.30 0.40

P [W]

I _m

I [A]

Andamento della potenza P= V⋅ I

0.00 0.20 0.40 V _m ^0.60 _{V [V]}

Caratteristica I-V di una Cella Solare ed andamento della Potenza

(23)

23 Caratteristica I_V di una cella FV

V [V]

40 °C 60 °C

20 °C

0 °C

-20 °C -40 °C

0.53 0.57 0.60 0.64 0.68 0.72 0.75

0.50 0.25 1.00

TENSIONE A VUOTO V₀(I=0)

CORRENTE DI

CORTOCIRCUITO I_CC(V=0)

0.20 0.00

0.00 Variazione della caratteristica I-V al variare della temperatura

di lavoro della cella

(24)

24 Caratteristica I_V di una cella FV

Caratteristica Elettrica (I-V) in funzione della Radiazione Solare

I [A]

V [V]

500 W/m

²

600 W/m

²

700 W/m

²

800 W/m

²

900 W/m

²

1000 W/m

²

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 22.0 0.0

Caratteristica I-V di un modulo

commerciale da 50Wp a 40 °

(25)