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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Il principio di funzionamento delle celle solari. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Fonti di energia alternative Anche se molti di noi non ne sono consapevoli, il metodo per generare elettricità dalla luce solare è noto da oltre 100 anni. Il fenomeno della fotoelettricità fu osservato per la prima volta da Edmond Becquerel nel 1839. In uno dei suoi numerosi esperimenti con l'elettricità, pose due piastre metalliche in una soluzione conduttiva e illuminò l'installazione con la luce solare. Con suo grande stupore, scoprì che questo produceva forza elettromotrice (EMF). Questa scoperta accidentale passò inosservata fino al 1873, quando Willoughby Smith scoprì un effetto simile irradiando una piastra di selenio con la luce. E sebbene i suoi primi esperimenti fossero imperfetti, segnarono l'inizio della storia delle celle solari a semiconduttore. Alla ricerca di nuove fonti di energia, i Bell Labs inventarono la cella solare al silicio, che divenne il precursore dei moderni convertitori fotovoltaici. Solo all'inizio degli anni '50. La cella solare ha raggiunto un grado di perfezione relativamente elevato. Fondamenti di teoria dei semiconduttori Il silicio è il principale materiale semiconduttore nell'elettronica moderna. Anche la maggior parte delle celle solari moderne sono realizzate in silicio. Un semiconduttore è una sostanza che non è né un buon conduttore né un buon isolante. Ad esempio, il rame è un ottimo conduttore, la sua portata è molto ampia. Ovunque sia necessario trasferire energia elettrica da un luogo all'altro, il rame è un assistente indispensabile. Lo stesso si può dire dell’alluminio. D'altra parte, il vetro ha una conduttività elettrica trascurabile, ma è un buon dielettrico. Se è necessario bloccare il percorso della corrente elettrica, un isolante in vetro risolverà con successo questo problema. A proposito, gli isolanti polari dei primi telefoni erano di vetro.
La conduttività elettrica dei semiconduttori si trova tra questi due casi limite. In alcune applicazioni i semiconduttori possono fungere da conduttori, in altre da isolanti. Tuttavia, il silicio puro è ancora più vicino agli isolanti e conduce molto male l'elettricità. Il motivo di ciò è dovuto alla particolarità della sua struttura cristallina. Gli atomi di silicio sono collegati tra loro con l'aiuto dei cosiddetti elettroni di valenza. È meglio pensare a queste connessioni come a "mani". Ogni atomo di silicio ha quattro "braccia". Gli atomi di silicio sono molto “socievoli”; non amano la solitudine. Pertanto, cercano di tenere per mano gli atomi che li circondano. Poiché ogni atomo ha quattro "mani" con le quali prende le "mani" dei suoi vicini, insieme formano il reticolo mostrato in Fig. 1. Di conseguenza, tutte e quattro le “mani” dell’atomo sono occupate. Di conseguenza, in una tale struttura non ci sono elettroni liberi ("mani") e senza elettroni liberi la corrente elettrica difficilmente è possibile. Per le esigenze dell'elettronica, questo stato di cose è inaccettabile. Affinché la corrente possa fluire, il cristallo deve avere elettroni liberi. Ciò si ottiene introducendo impurità nel materiale di partenza. Questo processo è chiamato lega. Doping dei semiconduttori Supponiamo di prendere e sostituire un atomo di silicio nella nostra struttura cristallina con un atomo di valenza cinque (in altre parole, con cinque "braccia". Ad esempio, un tale atomo è un atomo di boro. Ritrovandoci tra i nostri "nuovi vicini" e prendendolo "per mano", questo atomo scoprirà presto che una "mano" è libera (l'autore si sbaglia: gli atomi di fosforo, che hanno valenza cinque, vengono usati come donatori (fonte di elettroni liberi ), e come accettori, che consentono l'introduzione nel cristallo di silicio di cariche positive (lacune), vengono utilizzati atomi di boro, che sono caratterizzati da una valenza di tre. - Ed.)
Questa “mano”, non collegata a nessuno, non è altro che un elettrone libero. Poiché l'atomo di boro è più o meno soddisfatto che quattro dei suoi cinque "bracci" - gli elettroni - siano occupati, non è particolarmente preoccupato per il destino del quinto. Al minimo disturbo l’elettrone si “spezzerà”. Questa è l'essenza del doping. Più impurità introduciamo nel cristallo, più elettroni liberi ci saranno e migliore sarà la conduzione della corrente elettrica da parte del silicio. In caso di doping può verificarsi anche il processo inverso. Se l'atomo di silicio viene sostituito da un atomo trivalente, come il fosforo, nella nostra struttura apparirà un cosiddetto buco. Di conseguenza, nel cristallo mancano gli elettroni e li accetterà facilmente nel suo reticolo. A causa del fatto che gli atomi in una tale struttura cercano di catturare gli elettroni, i buchi risultanti si sposteranno attorno alla struttura priva di elettroni. In realtà, gli elettroni si spostano da un buco all'altro e quindi conducono la corrente elettrica. Produzione di celle solari Ora potresti pensare che se prendi un cristallo di silicio drogato con una mancanza di elettroni e un cristallo di silicio drogato con un eccesso di elettroni e li metti insieme, dovrebbe succedere qualcosa.
Con uno stretto contatto meccanico tra due cristalli, gli atomi nelle regioni vicine alla superficie si avvicinano così tanto che gli atomi di fosforo cedono facilmente i loro elettroni extra e gli atomi di boro li accettano prontamente. Di conseguenza, l'equilibrio elettrico del cristallo viene ripristinato. Ma ricorda che i cristalli hanno una struttura molto rigida, quindi lo scambio avverrà solo tra atomi che sono in stretto contatto tra loro. Lo spessore dell'area di questo contatto non supera la dimensione di diversi atomi e il volume del semiconduttore rimane invariato. Naturalmente, per ottenere questo effetto non basta semplicemente unire due pezzi di silicio. Il silicio viene comunemente drogato utilizzando un processo di diffusione ad alta temperatura. Di conseguenza, al confine tra le regioni nella profondità del semiconduttore, drogate con diverse impurità, si forma una regione di interfaccia ipersottile, chiamata giunzione pn. È all'interno di questa regione che avviene la conversione della luce in elettricità. Quando una particella di luce, chiamata fotone, colpisce una giunzione pn con sufficiente energia, elimina un elettrone, lasciandolo libero di muoversi. L'energia del fotone viene trasferita all'elettrone. In questo caso, si forma un buco nel reticolo cristallino. Va tenuto presente che la regione di transizione tende a mantenere l'equilibrio. Questo processo, chiamato fotoionizzazione, avviene non solo nella regione della giunzione pn, ma anche in qualsiasi altra parte del cristallo in cui penetra la luce solare, avendo un'energia sufficientemente elevata necessaria per creare portatori di carica liberi: elettroni e lacune. A causa del fatto che nel materiale di tipo n mancano le lacune e nel materiale di tipo p mancano gli elettroni, la lacuna e l'elettrone vengono separati e migrano in direzioni diverse. Ma ora l’equilibrio è rotto. Un elettrone che ha ricevuto l'energia di un fotone cerca di riconnettersi con il suo antipodo (buco) ed è pronto a spendere la sua energia su questo. Sfortunatamente, la giunzione pn è una potenziale barriera che l’elettrone non può superare. Tuttavia, se colleghiamo tra loro con un conduttore regioni con assi conduttori di tipo p e n, allora questo ostacolo verrà superato con successo e l'elettrone “si farà strada” verso il suo foro attraverso la “porta sul retro”. In questo caso, l'elettrone spende la sua energia lungo il percorso che usiamo. Caratteristiche delle celle solari La giunzione pn rappresenta un'imponente barriera al movimento degli elettroni. Ma non può essere definito insormontabile. L'energia che un elettrone riceve da un fotone di solito non è sufficiente per superare questa barriera e connettersi con un buco, ma non è sempre così.
L'altezza potenziale della barriera della giunzione pn è di circa 600 mV (0,6 V). Gli elettroni con un'energia superiore a 600 mV possono "risalire" verso questa parete ed essere assorbiti. Pertanto, la tensione massima che una cella solare può sviluppare è di 600 mV. Tuttavia, il valore effettivo dipende dal tipo di materiale semiconduttore e dal design della cella solare.
Collegare un carico a una cella solare riduce l'energia di alcuni elettroni, compresi quelli più energetici. Di conseguenza, la tensione totale della cella solare e il numero di elettroni in grado di superare la barriera della giunzione pn si riducono. All'aumentare della resistenza di carico, un numero crescente di elettroni verrà “pompato fuori” attraverso di essa e la tensione diminuirà ancora di più. Ad un certo punto però accade una cosa strana. A 450 mV (0,45 V), la corrente (flusso di elettroni) smette di aumentare anche se la tensione continua a diminuire. Si raggiunge il "altopiano" della corrente. Questo fenomeno è dovuto al numero finito di fotoni incidenti sulla giunzione pn. È noto che più fotoni raggiungono la giunzione pn, più elettroni vengono rilasciati. Più fotoni, più corrente. Tuttavia, arriva un momento in cui viene utilizzato letteralmente ogni fotone che entra nella giunzione pn e viene utilizzato il numero di elettroni liberi, e quindi la corrente non aumenta più. Ciò corrisponde alla comparsa di un “altopiano” nella caratteristica della cella solare. Naturalmente il numero di elettroni liberi dipende anche dalla superficie e dall'intensità della luce. Ovviamente all’aumentare dell’area dell’elemento vengono catturati più fotoni e la corrente aumenta. Allo stesso modo, all’aumentare dell’intensità della luce, aumenta la concentrazione di fotoni in una determinata area, il che aumenta anche la corrente. Efficienza delle celle solari Di solito, l'intensità media della luce solare che raggiunge la superficie terrestre è pari a 100 mW/cm2. In altre parole, una cella solare di 10x10 cm2 dovrebbe teoricamente generare 10 Watt di potenza. Sfortunatamente, nessuna cella solare può e non genererà tale energia: ci saranno sempre delle perdite. L'efficienza (fattore di efficienza) più alta raggiunta finora (e anche allora con fotocellule in cascata nel laboratorio sperimentale) è di circa il 30%. L'efficienza di una cella solare al silicio convenzionale varia dal 10 al 13%. Un elemento con una superficie di 100 cm2 può generare circa 1 W di potenza. Naturalmente l'efficienza di una cella solare dipende da molti fattori, tra i quali il più significativo è la variazione della temperatura ambiente. All’aumentare della temperatura, il reticolo cristallino si eccita e i suoi atomi vibrano più intensamente. Ciò, a sua volta, porta ad un aumento del livello energetico degli elettroni all'interno della struttura. Nel tempo, quando il livello energetico degli elettroni aumenta così tanto che la maggior parte di essi è in grado di superare la potenziale barriera della giunzione pn, la ricombinazione nel semiconduttore aumenta notevolmente. Ciò si traduce in un minor numero di elettroni che raggiungono i collettori della griglia e una riduzione della corrente elettrica al carico. D'altra parte, la bassa temperatura aumenta effettivamente l'effetto fotoelettrico. Il motivo principale della diminuzione dell'efficienza delle celle solari all'aumentare della temperatura è la diminuzione della barriera potenziale della giunzione pn, che porta ad una caduta della tensione generata dall'elemento. Autore: Byers T.
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