Studio di modelli per la stima della potenza generata da moduli fotovoltaici

L'effetto fotovoltaico, ovvero la capacità di certi materiali di convertire l’energia solare in corrente elettrica in continua, è noto fin dal 1839, grazie alle esperienze realizzate dal fisico francese Edmond Becquerel (1820-1891). L'idea di sfruttare l'effetto fotovoltaico quale fonte energetica non ebbe modo di svilupparsi finché non si potè operare con materiali che avessero un miglior rendimento. Si deve aspettare fino al 1954 per avere la prima cella solare commerciale in silicio (Person, Fuller e Chapin) realizzata all'interno dei laboratori Bell. Il funzionamento dei dispositivi fotovoltaici si basa sulla capacità di alcuni materiali semiconduttori, opportunamente trattati, di convertire l’energia della radiazione solare in energia elettrica in corrente continua senza bisogno di parti meccaniche in movimento. Il materiale semiconduttore quasi universalmente impiegato oggi a tale scopo è il silicio. Il componente base di un impianto FV è la cella fotovoltaica. Più celle assemblate e collegate tra di loro in una unica struttura formano il modulo fotovoltaico. Il modulo FV tradizionale è costituito dal collegamento in serie di 36 celle, per ottenere una potenza in uscita pari a circa 50 Watt, ma oggi, soprattutto per esigenza architettoniche, i produttori mettono sul mercato moduli costituiti da un numero di celle molto più alto e di conseguenza di più elevata potenza, anche fino a 200 Watt per ogni singolo modulo.

Materiali Semiconduttori

Gli elettroni di un atomo isolato sono caratterizzati da un insieme ben definito di livelli energetici che essi possono occupare. Quando più atomi interagiscono tra loro, per formare ad esempio una struttura cristallina, i livelli discreti di energia consentiti agli elettroni di ciascun atomo si sovrappongono, sino a creare le cosiddette bande di energia.
La distribuzione degli elettroni nelle diverse bande energetiche determina la capacità di un materiale di condurre elettricità. In base a questa proprietà, distinguiamo tre grandi famiglie di materiali:

- materiali conduttori,

- materiali isolanti,

- materiali semiconduttori.

I livelli energetici più importanti ai fini della conduzione di cariche elettriche sono la banda di valenza e la banda di conduzione.
In un conduttore esistono un numero elevato di elettroni relativamente liberi, sistemati nella banda di conduzione, la cui aziona genera una corrente elettrica. Il passaggio di elettroni dalla banda di valenza a quella di conduzione è semplificato dalla parziale sovrapposizione delle due bande. Nel caso di materiali isolanti, tutti gli elettroni sono disposti in bande complete. Inoltre esiste una notevole differenza di energia (detta energy-gap) tra la banda di valenza, completa, e la banda di conduzione, vuota. In condizioni ordinarie, gli elettroni presenti nella banda di valenza non riescono ad assorbire, da campi esterni, energia sufficiente a superare la banda proibita ed a passare nella banda di conduzione.
Nei materiali semiconduttori, la configurazione delle bande di valenza e conduzione e simile a quella già vista per gli isolanti, con la differenza che il valore del gap di energia è molto più basso (nell’ordine di 1 eV, pari a 1,602x10-19 J). Tale quantità può essere fornita ad un elettrone nella banda di valenza sottoforma di energia termica o fotoelettrica. Quando un elettrone riesce a passare nella banda di conduzione è libero di muoversi nel reticolo, fino a quando non viene riassorbito.
Per ciascun elettrone che passa nella banda di conduzione si crea una corrispondente lacuna nella banda di valenza, che si può propagare come una carica positiva: entrambi i portatori contribuiscono alla conduzione.

Il silicio

Il silicio, secondo elemento per diffusione sulla superficie terrestre, è il materiale semiconduttore più comunemente usato nella fabbricazione delle celle solari. Questo elemento chimico appartiene al IV gruppo della scala periodica ed ha un atomo con 14 elettroni disposti su tre orbite: quattro elettroni si trovano sull’orbita più esterna, quella appunto di valenza. L’energy-gap, a temperatura ambiente, è pari a 1,12 eV .
Il silicio tende a formare un reticolo cristallino tetraedrico, nel quale gli atomi sono legati tra loro da quattro legami di valenza, in ognuno dei quali si scambiano due elettroni di valenza: secondo questo modello ogni atomo è circondato da 8 elettroni nell’orbita più esterna in una condizione stabile, per cui non vi sono cariche libere di muoversi, con la conseguenza che il materiale si presenta con le caratteristiche di un isolante.
Qualche legame di valenza può rompersi al crescere della temperatura, lasciando liberi gli elettroni e, nello stesso tempo, le lacune. Gli elettroni e le lacune, sotto l’effetto di un campo elettrico, contribuiscono al flusso di corrente.
Il fenomeno appena descritto è quello che avviene nei cristalli ideali, nei quali si ha lo stesso numero dei due tipi di portatori di carica, poiché ogni elettrone liberato lascia dietro di se una lacuna mobile: in questo caso si parla di semiconduttori intrinseci.
Se all’interno del reticolo cristallino viene inserito un atomo che nell’orbita più esterna possiede 3 elettroni (come ad esempio il boro) si ottiene la formazione di una lacuna nella banda di valenza, mentre se tale atomo possiede 5 elettroni esterni (ad esempio un atomo di fosforo) l’effetto risultante sarà di avere 1 elettrone in più. Nel primo caso l’atomo inserito è definito accettore e il semiconduttore diventa di tipo P, mentre nel secondo caso si è in presenza di un donatore e il semiconduttore è di tipo N. Tale operazione prende il nome di drogaggio.