Energia solare: celle solari in silicio Understand article

Tradotto da Flora Ognissanto. Con le riserve di petrolio in esaurimento, le celle solari in silicio offrono una fonte d'energia alternativa. Come funzionano e come possiamo sfruttare appieno il loro potenziale?

Questa schiera di pannelli
fotovoltaici, disposti su 57
ettari di terreno inutilizzato
della Nellis Air Force Base,
nel Nevada, USA,
genereranno 15 MW
d’energia per la base 

Immagine gentilmente
concessa da US Air Force
photo / Airman 1st Class
Nadine Y Barclay; fonte
dell’ immagine: Wikimedia
Commons

Il sole è indirettamente la sorgente della maggior parte dell’energia che utilizziamo sulla Terra: non solo dei combustibili fossili e della biomassa, ma anche dell’energia eolica e delle maree, per citarne alcune. Cresce sempre più l’interesse a catturare l’energia solare in maniera più diretta, usando le celle fotovoltaiche.

Il sole è una stella relativamente vecchia, di dimensione media, costituita di plasma caldo, che emette energia sotto forma di radiazione elettromagnetica su un ampio spettro. Trovandosi ad una distanza di 150 milioni di chilometri dal sole, al nostro pianeta arrivano circa 1366 W/m2 (1 W= 1 J·s), ma solo una parte di questi ci raggiunge, poiché l’atmosfera terrestre ne riflette e assorbe circa il 30%. Ciononostante, ogni metro quadrato della Terra riceve dal sole in media circa 1000 Joule al secondo.

Per avere un’idea della prospettiva, consideriamo l’energia totale consumata a livello globale nel 2010, che è stata di circa 5 x 1020 J. Assumiamo che il nostro pianeta sia una sfera perfetta, con un raggio di 6370 km, esso riceve quindi 1.8 x 1017 J/s, dei quali circa 1.3 x 1017 J/s raggiungono la superficie. Pertanto, il sole ci fornisce in un’ora tutta l’energia di cui avremmo bisogno in un anno intero.

Però non è così semplice. A causa di fattori meteorologici, della declinazione del sole e della rotazione terrestre, l’irradianza è di fatto dell’ordine di 230 W/m2. Se ripetiamo l’ultimo calcolo utilizzando questo scenario, troviamo che il tempo necessario al sole per fornire alla Terra l’energia per un anno è di circa cinque ore e mezza, che comunque è un tempo incredibilmente breve.

Pertanto la radiazione solare è una riserva d’energia promettente, ma come possiamo raccoglierla ed utilizzarla?

Cosa succede all’interno di una cella fotovoltaica?

Le basi dell’attuale sistema per sfruttare l’energia solare sono state poste del 1839, quando il fisico francese Edmond Becquerel osservò che in alcuni materiali aumentava la conduttività elettrica quando esposti alla luce: questo divenne noto come effetto fotovoltaico. Il fenomeno però non ha avuto spiegazione finché non è stata sviluppata la meccanica quantistica. La radiazione elettromagnetica può essere descritta come un flusso di oggetti quantistici chiamati fotoni. Quando dei fotoni vengono assorbiti in certi materiali fanno si che alcuni degli elettroni si spostino ad uno stato energetico superiore (la banda di conduzione), ampliando così la conduttività del materiale.

I semiconduttori, come il silicio, sono fotovoltaici perché l’energia di un fotone corrisponde a quella necessaria a spostare uno degli elettroni del materiale verso la banda di conduzione. Tuttavia i semiconduttori hanno di per sé pochi elettroni liberi e, pertanto, una bassa conduttività. Per aumentarla possono essere aggiunte piccole quantità di altri materiali (impurità), un processo chiamato drogaggio.

Il silicio drogato è il materiale più frequentemente usato in elettronica. L’atomo di silicio ha quattro elettroni di valenza che condivide con quattro atomi vicini. Aggiungere delle impurità con più o meno elettroni di valenza (come il fosforo od il boro) modifica le proprietà di conduzione del materiale. Il fosforo ha cinque elettroni di valenza e, quando un atomo è circondato da atomi di silicio, il quinto elettrone è solo debolmente legato. Questo significa che può facilmente raggiungere la banda di conduzione, facendo sì che aumenti la conduttività del materiale. Il silicio drogato con fosforo è detto di tipo n (negativo), poiché il drogaggio aumenta il numero di cariche negative libere (elettroni). Invece il boro ha solo tre elettroni di valenza e la mancanza di un elettrone nel reticolo di silicio crea una vacanza chiamata ‘lacuna’. Dato che gli elettroni liberi si muovono da una vacanza all’altra attraverso il reticolo, sembra che la lacuna, carica positivamente, si sposti anch’essa nel materiale. Il silicio drogato con boro è detto di tipo p (positivo).

Questi fenomeni possono essere sfruttati nelle celle solari per raccogliere l’energia proveniente dal sole e trasformarla in energia elettrica. La cella fotovoltaica più semplice è formata dall’unione di due semiconduttori, uno drogato di tipo p e l’altro di tipo n, chiamata giunzione p-n. Nella regione di giunzione gli elettroni del silicio di tipo n ‘vedono’ le lacune nel silicio di tipo p e si spostano per riempirle, creando così delle coppie elettrone-lacuna. Quando un fotone colpisce una di tali coppie la rompe ed il flusso dei portatori di carica appena liberati, sia positivi, sia negativi, genera una corrente elettrica nel materiale.

Una corrente elettrica si genera alla giunzione n-p
Immagine gentilmente concessa da Enrique García-García

Comunque non tutti i portatori di carica liberati da questo processo contribuiranno alla corrente. Al contrario una parte significativa degli elettroni e delle lacune si accoppieranno nuovamente generando calore. Ciò riduce l’efficienza di conversione dell’energia di un materiale fotovoltaico, ovvero la percentuale d’energia solare che viene convertita in energia elettrica. Questa efficienza è uno dei parametri più importanti relativi alla qualità di una cella solare. Attualmente le celle solari al silicio in commercio hanno un’efficienza di circa il 20 %, ma si stanno compiendo notevoli sforzi per migliorare questo valore.

Il fotovoltaico in pratica

Stazione base per telefonia
mobile alimentata da
pannelli fotovoltaici

Immagine gentilmente
concessa da Aomorikuma;
fonte dell’immagine:
Wikimedia Commons

Adesso sappiamo cosa accade all’interno di una cella solare, ma quali sono gli aspetti pratici nell’usare celle solari per catturare l’energia proveniente dal sole? Un modulo solare standard è di circa 1.3 m2 e consiste di una serie di una cinquantina di singole celle. A seconda della tecnologia, un modulo fornirà circa 200 W, pertanto un insieme di cinque moduli può provvedere al fabbisogno energetico di una famiglia media, che è all’incirca 1 kW. In teoria per sopperire al bisogno energetico dell’Europa basterebbe ricoprire con celle solari semplicemente l’1 % del continente. Realisticamente però l’energia solare sarà solo una parte della soluzione alle nostre esigenze energetiche.

In Europa, nel 2010, circa l’1 % dell’energia è stata ottenuta usando tecnologia fotovoltaica, ma il solare, stando a delle stime ottimistiche, potrebbe soddisfare dal 30 % al 50 % del bisogno energetico europeo. Cifre più precise non sono ancora possibili per via delle necessarie innovazioni tecnologiche ancora in fase di sviluppo.

Una delle limitazioni dell’energia solare è che la quantità di elettricità generata dalle celle è fortemente dipendente da fattori ambientali, tra cui il cielo coperto, l’angolo con il quale la luce incide sul pannello, la neve, la pioggia, le foglie e altri detriti sulla superficie, nonché, ovviamente, le ore notturne. Un modo per affrontare questi problemi è incorporare l’energia solare all’interno di una rete intelligente, un nuovo concetto di rete elettrica che per soddisfare la domanda dei consumatori coordina la produzione di elettricità da diverse sorgenti, come le celle solari, i generatori termici e gli impianti nucleari. In questo tipo di distribuzione d’energia le celle solari giocano un ruolo sempre più importante.

Ispezione del pannello solare durante la fase di verifica finale del satellite GOCE dell’ESA, che mapperà la gravità terrestre. Il veicolo spaziale è equipaggiato con quattro pannelli solari montati sul corpo centrale più due sulle ali. Una volta in orbita il satellite esporrà al sole sempre lo stesso lato. A causa di questa configurazione i pannelli solari saranno soggetti a variazioni estreme di temperatura e perciò i materiali che sono stati utilizzati possono tollerare sia temperature alte, fino 160 ºC, sia basse, fino a -170 ºC
Immagine gentilmente concessa da ESA
Rappresentazione artistica
della Stazione Spaziale
Internazionale, i cui
pannelli solari sono grandi
quanto un campo da calcio
e generano l’impressionante
quantità di potenza di 92 kW

Immagine gentilmente
concessa da ESA / D Ducros

Stanno anche diventando sempre più popolari su scala più piccola, per la quale l’energia prodotta può essere usata in loco: nelle case della gente, per i telefoni pubblici, negli impianti industriali, sulle barche, automobili e persino sulla Stazione Spaziale Internazionalew1.

Così, benché ancora lungi dal soddisfare il nostro fabbisogno energetico annuale utilizzando cinque ore di sole, la tecnologia fotovoltaica sta diventando sempre più una fonte d’energia praticabile. La prossima volta che accendi il bollitore o la televisione pensa alla luce solare che ha contribuito ad alimentarli.

 

Fotovoltaico organico

I pannelli fotovoltaici basati su semiconduttori cristallini, come quelli descritti in quest’articolo, sono relativamente cari da produrre e trattare. Un’alternativa è offerta dai materiali fotovoltaici organici, i quali permettono la produzione di ampi pannelli su substrati flessibili usando processi a basso costo come la stampa a getto di inchiostro. Ulteriori studi sono comunque necessari per migliorarne l’efficienza.

La maggior parte dei dispositivi fotovoltaici si basano su pellicole sottili, comprendenti una componente elettrone-accettore (come un derivato di fullerene) e una componente elettrone-donatore (solitamente un polimero coniugato), poste tra due elettrodi. Un requisito importante è mescolare queste due componenti in modo da ottenere una rete continua donatore e accettore che faccia da via ai portatori di cariche (elettroni e lacune) per raggiungere l’elettrodo opportuno (si veda la figura). Condurre analisi con raggi X di sincrotrone presso la European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) è un buon metodo per esaminare in dettaglio questi materiali, consentendo di migliorarne le caratteristiche.

Questa pellicola plastica è costituita da una mescola di donatori (marrone chiaro) e accettori (marrone scuro) disposti in un reticolo continuo che consente il trasferimento di carica tra i due elettrodi (le due bande in grigio e magenta in alto ed in basso)
Immagine gentilmente concessa da ESRF

Per saperne di più si veda il sito web del ESRFw2.

ESRF è membro del EIROforumw3, editore di Science in School.

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Web References

Resources

Author(s)

Tutti e quattro gli autori lavorano presso l’università di Salamanca, Spagna.

Enrique García-García è laureato in fisica ed ha una laurea magistrale in fisica e tecnologia dei laser. I suoi campi di ricerca includono la caratterizzazione elettrica delle celle solari e le onde elettromagnetiche nella banda di frequenza dei terahertz (la radiazione terahertz).

Il dr. Yahya Moubarak Meziani ha conseguito il suo dottorato in fisica dei semiconduttori all’università Montpellier 2 in Francia. Dal 2008 dirige un gruppo di ricerca che si occupa di radiazione terahertz.

Il professor Jesús Enrique Velázquez-Pérez si è dottorato presso l’Università Paris-Sud in Francia; argomento dei suoi studi: la simulazione e sviluppo di componenti ad alta frequenza elettronica. Lavora all’Università di Salamanca dagli inizi degli anni novanta.

I campi di ricerca del dr. Jaime Calvo-Gallego’s includono simulazioni numeriche di dispositivi elettronici col metodo di Monte Carlo, il trasporto di calore ed i dispositivi terahertz.


Review

Lo sfruttamento dell’energia solare è un argomento attualmente molto diffuso tra i vari paesi del mondo, specialmente alla luce della crescente presa di coscienza del cambiamento climatico e dell’esaurirsi delle fonti d’energia non rinnovabili. Le nazioni stanno diventando più consapevoli della necessità di ridurre la loro dipendenza dalle sorgenti non rinnovabili e, allo stesso tempo, di adottare politiche a favore di quelle rinnovabili.

Quest’articolo fornisce un ottimo esempio di come i semiconduttori siano usati nelle celle fotoelettriche e dà un’idea generale dell’energia irradiata dal sole e quanta di questa sia effettivamente raccolta da dispositivi solari. I concetti salienti dell’articolo possono essere considerati come parte di argomenti più ampi, come l’effetto fotoelettrico, i conduttori, gli isolanti, i semiconduttori intrinseci ed estrinseci, la teoria delle bande di energia e la corrente elettrica.

Domande per la comprensione ed l’approfondimento potrebbero essere:

  1. Il sole è una fonte d’energia rinnovabile molto potente. Perché dunque l’energia solare è solo una piccola percentuale di quella che consumiamo annualmente?
  2. Si spieghi perché i semiconduttori come il silicio sono usati nelle celle fotoelettriche.
  3. La conduttività di un semiconduttore può essere accresciuta drogando il materiale. Si spieghi in che modo questo processo produce semiconduttori di tipo p e di tipo n.
  4. Come sono utilizzati nelle celle fotovoltaiche questi semiconduttori per catturare l’energia solare?
  5. Qual’è l’efficienza di queste celle fotoelettriche e in pratica quanta dell’energia europea è ottenuta usando la tecnologia fotovoltaica?
  6. Quali sono i fattori che limitano l’efficienza di raccolta dell’energia solare?

Quest’articolo è ideale per collegare gli argomenti sull’energia rinnovabile (come il solare) ai problemi riguardanti l’ambiente. È ampiamente documentato l’impatto positivo dell’uso delle celle solari od dei collettori solari per generare energia. Possiamo tuttavia richiedere ai nostri studenti di ricercare e riflettere sull’impatto che questi dispositivi avranno sul nostro pianeta negli anni a venire. Quali materiali vengono usati per costruire i collettori, i pannelli solari e le celle fotoelettriche? Il processo di fabbricazione è in alcun modo dannoso per l’ambiente? Quanto dura la vita di questi apparecchi e come vengono smaltiti una volta conclusasi? Sono prodotti con materiali non rinnovabili? Se sì, quanto tempo durano? Considerando l’efficienza di questi dispositivi, sono economicamente redditizi da produrre e mantenere?


Catherine Cutajar, Malta




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