Introduzione
Stefano Martino VII
Il presente lavoro di tesi è incentrato sulla deposizione di alcuni sistemi Donore-
Accettore su vari substrati, sotto forma di film di Langmuir-Schäfer, per costruire
aggregati supramolecolari con un alto grado d’ordine strutturale. Lo scopo finale è
quello di realizzare nuove architetture auto-assemblate che possono essere
d’interesse per l’implementazione di prototipi di celle fotovoltaiche.
Questa tesi inizia con una discussione sullo stato dell’arte del fotovoltaico fornendo
un’introduzione sulle sue basi teoriche, i concetti fondamentali del fotovoltaico
organico, le attuali tecnologie e sui differenti tipi di materiali utilizzati. Segue una
rassegna dei risultati ottenuti per varie celle categorizzate per diverse architetture dei
dispositivi.
Nel quarto capitolo vengono presentate le tecniche di deposizione Langmuir-Blodgett
e Langmuir-Schäfer, le tecniche di caratterizzazione utilizzate, nonché i sistemi
molecolari oggetto del presente studio.
Infine, i capitoli 5, 6 e 7 sono incentrati sulla presentazione, analisi e discussione dei
risultati sperimentali.
Il Solare Fotovoltaico
Capitolo Primo Il Solare Fotovoltaico
1.1 Il Problema Energetico e Le Fonti Rinnovabili.
Il fabbisogno energetico mondiale è cresciuto drammaticamente nell’ultimo secolo e
tenderà ad aumentare ancor di più nei prossimi decenni sull’onda di una
industrializzazione totale e globale che ormai sta interessando prepotentemente
anche il cosiddetto “sud del mondo” (vedi figura 1.1).
Figura 1.1: A sinistra i primi trenta paesi del mondo secondo il consumo pro-capite di energia in Kg
equivalenti di petrolio. A destra le variazioni percentuali dei consumi di energia di 100 Paesi, espressi in Kg
equivalenti di petrolio dal 1980 ad oggi (Fonte: E. Lancieri “La ricchezza delle nazioni 2001”).
Le previsioni indicano, infatti, un incremento della domanda energetica mondiale del
70% circa entro il 2030 [1]. Inoltre, spetterà ai combustibili fossili, petrolio, carbone e
gas naturale, soddisfare la domanda per una quota pari a circa l’80% [2].
Figura 1.2: Generazione elettrica in Italia. Ripartizione per fonte.
Stefano Martino 2
Capitolo Primo Il Solare Fotovoltaico
Naturalmente, ad un maggior impiego di combustibili fossili corrisponde una maggiore
immissione in atmosfera dei prodotti della loro combustione (CO
2
, SO
2
, NO
x
) con tutte
le gravi conseguenze che ciò implica in termini di inquinamento ambientale.
Se consideriamo inoltre il fatto che lo sfruttamento delle risorse fossili non può essere
illimitato (le attuali riserve garantiscono un’autonomia di qualche decennio), appare
ora come non mai necessaria una politica tecnologica ed energetica più decisa nello
scopo di pilotare il sistema energetico globale verso un percorso più eco-sostenibile.
Figura 1.3: Risorse provate di combustibili fossili e loro durata convenzionale (Fonte: British
Petroleum,Statistical Review of World Energy,2003)
Alla luce di quelli che sono gli impegni ratificati con il protocollo di Kyoto, i governi
hanno stabilito di limitare la dipendenza dalle fonti energetiche non rinnovabili nel
periodo tra 2001 e 2010. A questo scopo, i governi, si sono reciprocamente impegnati
per ridurre la produzione di CO
2
di un quinto. Per arrivarci, c’è una sola possibilità: è
necessario aumentare la quota d’energia derivante da fonti rinnovabili,
raddoppiandola dall’attuale 6% fino almeno al 12%. Si prospetta, quindi, uno scenario
in cui le Fonti Rinnovabili conquisteranno una considerevole fetta del Mercato
Energetico Mondiale nei prossimi decenni.
Per una diffusione su larga scala sarà necessario sviluppare dei sistemi che,
diminuendo i costi di produzione associati e aumentando le efficienze di conversione,
permettano alle fonti rinnovabili di competere a livello economico con le fonti
“tradizionali”.
Tra le fonti d’energia rinnovabili (idraulica, eolica, solare, biomasse coltivate e da
rifiuti, onde e maree) particolare interesse ha suscitato e suscita tuttora quella solare.
L’utilizzo energetico della radiazione solare può essere sfruttato in due tipi di
applicazione:
Il Solare Termico, che consiste nella trasformazione dell'energia solare in
calore, attraverso un dispositivo denominato collettore solare, tramite il
riscaldamento di un fluido (acqua) a bassa temperatura e alla pressione
atmosferica. L'acqua è utilizzata a fini domestici sanitari;
Il Solare Elettrico o Fotovoltaico, che consiste nella conversione diretta
dell'energia solare in elettricità attraverso un fenomeno fisico-chimico
Stefano Martino 3
Capitolo Primo Il Solare Fotovoltaico
denominato effetto fotovoltaico. Il processo ha come risultato la produzione
di energia elettrica.
Con particolare riferimento al solare fotovoltaico, moltissime sono le applicazioni
possibili:
- con piccoli generatori fotovoltaici si alimentano calcolatori e orologi da polso;
- con moduli più grandi si fornisce elettricità per uso domestico, per pompare acqua
dal terreno, per dare potenza a equipaggiamenti di comunicazione, per sistemi di
emergenza, ecc..
La tecnologia fotovoltaica appare oggi una delle più promettenti (a medio e lungo
termine) tra quelle in grado di sfruttare l’enorme potenzialità della fonte solare e
fronteggiare la domanda di energia elettrica. Il fotovoltaico è ormai riconosciuto da
gran parte dei paesi più industrializzati, anche dai meno favoriti dall’insolazione
rispetto al nostro, come un settore tecnologico che merita di essere sviluppato
attraverso opportuni programmi di sostegno e finanziamenti.
La tecnologia del fotovoltaico s’inserisce anche nel grande filone dello sviluppo dei
materiali semiconduttori, dei nuovi polimeri conduttori e dell’industria elettronica: una
tale sinergia fa intravedere grandi potenziali di sviluppo, specie per i comparti
dell’elettronica più innovativa che genera, di riflesso, un importante sviluppo
economico locale e occupazione qualificata.
Tra i molteplici aspetti derivanti dall’utilizzo di sistemi fotovoltaici si possono
riassumere i seguenti:
• L’impiego distribuito di una sorgente energetica, diffusa per sua stessa natura,
non inquinante e completamente gratuita;
• Assenza di combustibile e dei conseguenti problemi legati al suo acquisto,
trasporto e stoccaggio;
• La generazione di energia elettrica nel luogo del consumo, evitando gli
sprechi e le dispersioni legate alla trasmissione;
• La semplicità di collegamento alla rete e la conseguente possibilità di sfruttare
pienamente l’energia prodotta immettendola nella rete nazionale;
• Versatilità e modularità dei sistemi che permettono l’installazione di questi in
piccole unità, in prossimità al punto di consumo dell’energia;
• Assenza di parti in movimento che consente ridotte esigenze di
manutenzione;
• Facilità d’integrazione nell’ambiente urbano. Il modulo fotovoltaico può
diventare un elemento costruttivo vero e proprio; difatti, gli elementi
fotovoltaici, non solo possono essere combinati con i tradizionali materiali da
costruzione, ma possono anche sostituirli. Essi soddisfano i requisiti di un
buon materiale di rivestimento offrendo resistenza, impermeabilità, controllo
dei livelli acustici, isolamento termico;
Stefano Martino 4
Capitolo Primo Il Solare Fotovoltaico
• L’elevata durata di vita (25-30 anni) fa coincidere la sostituzione dell’impianto
con la manutenzione straordinaria dell’edificio;
• Elevati investimenti iniziali con conseguenti lunghi tempi di ammortamento:
per i Paesi in via di sviluppo questo può rappresentare un ostacolo
insormontabile;
• Gli impianti hanno un certo impatto visivo e di occupazione del territorio.
A causa dei bassi rendimenti e delle limitate prestazioni, i moduli richiedono
grandi superfici per ottenere le alte energie oggi necessarie per far funzionare
quelle complesse “macchine” che sono oggi le civili abitazioni.
1.2 Principi di Base della Conversione Fotovoltaica
1.2.1 La Radiazione Solare
La radiazione solare è l’energia elettromagnetica emessa dai processi di fusione
dell’idrogeno (in atomi di elio) contenuto nel sole con uno spettro molto simile a quello
di un corpo nero a temperatura T=5760 ± 50 K.
Il sole irraggia nello spazio luce con uno spettro elettromagnetico nella gamma di
lunghezze d’onda che va da 0,25 µm ad oltre 5 mm, ossia dai raggi X alle radiazioni
infrarosse, passando per i raggi ultravioletti e la luce visibile. Lo spettro delle
radiazioni extraterrestri alla distanza media tra la terra e il sole di 149,5 milioni di km,
in base alla norma del World Radiation Centre (WRC), è descritto nella figura 1.4.
Figura 1.4: spettro della radiazione elettromagnetica extraterrestre.
L’irraggiamento (flusso solare o densità di potenza della radiazione solare) raccolto
fuori dell’atmosfera, su una superficie perpendicolare ai raggi solari, è detto costante
solare ed è pari a 1367 W/m
2
, variabile durante l’anno del ± 3%, a causa dell’ellitticità
Stefano Martino 5
Capitolo Primo Il Solare Fotovoltaico
dell’orbita terrestre. Nel tragitto attraverso l'atmosfera, la densità di potenza della
radiazione solare si riduce via via che aumenta lo spessore dello strato d’aria
attraversato a valori che possono variare tra 1000 e 300 W/m
2
. Il valore 1kW/m
2
corrisponde al massimo irraggiamento al suolo su superficie orizzontale con Sole allo
zenit e atmosfera perfettamente trasparente.
Durante l'attraversamento dell'atmosfera terrestre, l'irraggiamento solare subisce
effetti diversi. Una parte di esso viene riflessa verso lo spazio, principalmente ad
opera delle nubi, un'altra parte viene diffusa in tutte le direzioni dall'incontro con le
molecole di azoto, ossigeno, vapore d'acqua, anidride carbonica, ozono, una parte
viene assorbita dalle molecole costituenti l'atmosfera, le quali, di conseguenza, si
riscaldano ed emettono radiazione infrarossa, ed infine, una parte raggiunge la
superficie della Terra e prende il nome di radiazione diretta. La somma della
radiazione diffusa e della radiazione infrarossa emessa dall'atmosfera in seguito
all'assorbimento costituisce la radiazione diffusa.
Soltanto un'aliquota dell'irraggiamento solare raggiunge perciò il suolo terrestre,
poiché nell'attraversamento dell'atmosfera esso risulta selettivamente assorbito e
disperso.
Una superficie inclinata può ricevere, inoltre, la radiazione riflessa dal terreno o da
specchi d’acqua o da altre superfici orizzontali. Tale contributo è chiamato albedo.
Le proporzioni di radiazione diretta, diffusa ed albedo ricevute da una superficie
dipendono:
• Dalle condizioni meteorologiche (in una giornata nuvolosa la radiazione è
pressoché totalmente diffusa; in una giornata serena con clima secco
predomina invece la componente diretta, che può arrivare fino al 90% della
radiazione totale);
• Dall’inclinazione della superficie rispetto al piano orizzontale (una superficie
orizzontale riceve la massima radiazione diffusa e la minima riflessa, se non ci
sono intorno oggetti a quota superiore a quella della superficie);
• Dalla presenza di superfici riflettenti (il contributo maggiore alla riflessione è
dato dalle superfici chiare; così la radiazione riflessa aumenta in inverno per
effetto della neve e diminuisce in estate per l’effetto di assorbimento dell’erba
o del terreno).
Se chiamiamo I
D
la radiazione diretta, I
S
quella diffusa e R l’albedo, allora si ha che la
radiazione solare totale che incide su una superficie è:
RIII
SDTOT
++=
È evidente che qualsiasi considerazione sulle relazioni fra l'energia solare e la Terra e
sulla possibilità di utilizzare tale energia, è basata sulla conoscenza della distribuzione
geografica della intensità della radiazione solare.
Stefano Martino 6
Capitolo Primo Il Solare Fotovoltaico
Per quantificare la diversa entità della radiazione, in funzione della posizione del sole,
si fa spesso riferimento al concetto di:
• Air Mass ‘AM’ ⇒ Rapporto tra la lunghezza del percorso effettivo dei raggi
solari e la lunghezza del loro percorso più breve ⇒ AM = 1 / sin (h) dove h è
l’angolo di zenit;
• Air Mass One ‘AM 1’ ⇒ condizione di AM valutato sulla superficie terrestre e
misurato al livello del mare in condizioni di atmosfera standard e sole allo
zenit;
• Air Mass Zero ‘AM 0’ ⇒ condizione di AM fuori l’atmosfera;
• Air Mass 1.5 ‘AM 1.5’ ⇒ condizione di AM per °= 2.48h
~
1
0
0
k
m
h
A
M
=
1
/
s
e
n
(
h
)
AM = AM1 = 1
AM = AM0 = 0
Orizzonte locale
Superficie Terrestre
Limite sup. dell'atmosfera assorbente
Angolo di zenit
Figura 1.5: Air Mass ed andamento della Densità Spettrale di Potenza per AM 0 e AM 1.5. Si notino le
caratteristiche bande di assorbimento dovute alle particelle presenti in atmosfera.
Lo spettro extraterrestre fornisce dati molto utili nella progettazione di celle solari per
applicazioni spaziali. L’ AM 1.5, vale a dire il tipico spettro solare sulla superficie del
pianeta in una limpida giornata di sole con una irradianza totale di 1 kW/m
2
, è
utilizzato nella calibrazione dei moduli fotovoltaici per applicazioni terrestri.
Stefano Martino 7
Capitolo Primo Il Solare Fotovoltaico
1.2.2 La Conversione Fotovoltaica: principi di funzionamento.
“L'effetto fotovoltaico” è noto fin dal 1839 e trova il suo fondamento nell’esperienza del
fisico francese Edmond Becquerel (1820-1891) che presentò all’Accademia delle
Scienze di Parigi la sua "Memoria sugli effetti elettrici prodotti sotto l'influenza dei
raggi solari". La scoperta di tale effetto avvenne casualmente, mentre Becquerel
effettuava esperienze su una cella elettrolitica, in cui erano immersi due elettrodi di
platino. Nel 1870 l'effetto fotovoltaico fu studiato in solido sul selenio da Heinrich Hertz
e, nel 1876, da Smith, Adam e Day, i quali conclusero che tali celle erano in grado di
convertire la luce in elettricità con una efficienza compresa fra 1% e il 2%. L'idea di
sfruttare l'effetto fotovoltaico quale fonte energetica non poté essere sviluppata fino a
quando non si presentò l'occasione di operare con materiali diversi dal selenio, il cui
rendimento fosse migliore. Solo nel 1954, Person, Fuller e Chapin, ottennero la prima
cella solare commerciale in silicio realizzata all'interno dei laboratori Bell. Un ulteriore
passo avanti verso la commercializzazione del fotovoltaico venne compiuto tra il 1940
e l'inizio del 1950, quando venne sviluppato il processo Czochralski per la produzione
del silicio cristallino altamente puro, con efficienza del 4%.
I costi ingenti della nuova tecnologia rappresentarono un fattore restrittivo a casi
particolari come, ad esempio, l'alimentazione di satelliti artificiali. Solo a partire dal
1970, con il manifestarsi delle crisi energetiche di portata mondiale, si iniziò a
rivolgere l’attenzione verso utilizzi di tipo “terrestre” [3]. La conversione diretta
dell’energia solare in energia elettrica utilizza il fenomeno fisico, denominato effetto
fotovoltaico, dell’interazione della radiazione luminosa con gli elettroni di valenza nei
materiali semiconduttori. A tal proposito, è qui utile descriverne brevemente alcune
proprietà fisiche di base.
In un solido, N orbitali atomici si combinano in N orbitali molecolari i cui livelli
energetici discreti si infittiscono sempre più all’aumentare del numero di atomi, cioè
all’aumentare del numero di orbitali molecolari. Quando questo diviene
sufficientemente elevato (≈10
23
), i livelli energetici sono talmente ravvicinati da dar
luogo ad una banda praticamente continua di energia. La struttura elettronica può
presentare una band gap, ossia un range di energia nel quale nessun stato elettronico
è permesso. Proprio a causa delle possibili differenze nella struttura elettronica, i
materiali solidi possono dividersi in conduttori (metalli) e in dielettrici (semiconduttori
ed isolanti). Per quest’ultimi, al contrario dei primi, esiste un gap energetico (E
g
) tra la
più alta banda energetica piena (banda di valenza, VB) e la più bassa banda
energetica vuota (banda di conduzione, CB). La banda di valenza è occupata dagli
elettroni di valenza, mentre alla banda di conduzione sono associati i livelli energetici
degli stati eccitati. Il limite superiore della banda energetica piena ed il limite inferiore
di quella vuota sono indicati rispettivamente con E
V
ed E
C
.
Stefano Martino 8
Capitolo Primo Il Solare Fotovoltaico
Figura 1.6: struttura a bande di un semiconduttore intrinseco a gap diretta (GaAs) e indiretta (Si) nello
spazio k (vettore d’onda).
A Ø Kelvin, nello stato fondamentale, gli N/2 orbitali della banda di valenza sono
completamente occupati da N elettroni che, pertanto, non possono contribuire al
trasporto di corrente. A temperature superiori allo zero assoluto, gli elettroni possono
essere eccitati dalla vibrazione termica degli atomi andando ad occupare anche gli
stati elettronici della banda di conduzione. Ogni elettrone promosso nella banda di
conduzione lascerà, di conseguenza, una posizione vacante (lacuna) che renderà
possibile il libero movimento delle cariche anche nella banda di valenza. Quindi, la
conducibilità elettrica in un materiale semiconduttore richiede l’eccitazione di elettroni
nella banda di conduzione o la presenza di lacune nella banda di valenza. Ciò può
essere ottenuto per via ottica o termica.
Per un semiconduttore di tipo intrinseco, la concentrazione degli elettroni è uguale a
quella delle lacune ed il livello di Fermi E
F
, ossia il livello di energia in corrispondenza
del quale metà degli orbitali disponibili sono occupati da elettroni ad una certa
temperatura T, è localizzato proprio nel mezzo della band gap. Molto spesso la
presenza di difetti nella struttura cristallina è causa di uno sconvolgimento nella
struttura elettronica dei semiconduttori che ha come risultato l’introduzione di nuovi
livelli energetici permessi, variazioni del livello di Fermi ed un’alterazione delle
proprietà elettroniche. La posizione dei livelli energetici così introdotti dipende dal tipo
di difetto.
L’introduzione di quantità prefissate di opportune impurezze all’interno del cristallo
semiconduttore, allo scopo di aumentarne la conducibilità elettrica, è chiamato
drogaggio. Un semiconduttore può essere sottoposto ad un drogaggio di tipo “p”
tramite l’introduzione di stati accettore o di tipo “n” attraverso l’introduzione di stati
donore (figura 1.7).
Stefano Martino 9
Capitolo Primo Il Solare Fotovoltaico
Figura 1.7: diagramma dei livelli energetici di un semiconduttore (a) intrinseco, (b) drogato “n”, (c) drogato
“p”. Un drogaggio di tipo n introduce livelli donore E
D
in prossimità della banda di conduzione mentre un
drogaggio di tipo p introduce livelli accettore E
A
in prossimità della banda di valenza.
Il meccanismo tramite il quale la cella fotovoltaica trasforma la luce solare in energia
elettrica, è essenzialmente lo stesso, qualunque sia il materiale semiconduttore
impiegato. Considereremo qui il caso di una cella al silicio cristallino. L’atomo di silicio
possiede 14 elettroni di cui 4 di valenza. In un cristallo di silicio puro ciascun atomo è
legato in modo covalente con altri quattro atomi, ossia ogni elettrone di valenza si lega
con un elettrone di valenza di un altro atomo.
Il passaggio dalla banda di valenza a quella di conduzione avviene trasmettendo
all’elettrone un’opportuna quantità di energia, come ad esempio, quella dei fotoni della
radiazione solare. In tale passaggio, l’elettrone si lascia dietro una lacuna che può
essere occupata da un altro elettrone. Il movimento degli elettroni comporta così
anche quello delle lacune.
Silicio
Silicio
Figura 1.8: rappresentazione schematica dell’atomo di silicio e del suo reticolo cristallino.
Stefano Martino 10
Capitolo Primo Il Solare Fotovoltaico
Silicio
Boro
Lacuna
Accettore
Il continuo susseguirsi di questi passaggi forma una corrente elettrica disordinata di
entità trascurabile. Per sfruttare l’elettricità è necessario creare un moto coerente di
elettroni e di lacune, ovvero una corrente, mediante un campo elettrico interno alla
cella. In pratica, questa condizione si ottiene immettendo piccole quantità di atomi di
opportune impurezze, come il boro e il fosforo, nel reticolo di silicio, ovvero drogando il
semiconduttore. L’attrazione elettrostatica fra le due specie atomiche crea un campo
elettrico fisso che dà alla cella la struttura detta “a diodo”, in cui il passaggio della
corrente, costituita da portatori di carica liberi, è ostacolato in una direzione e facilitato
in quella opposta.
Fosforo
Silicio
Elettrone
debolmente legato
Donatore
Figura 1.9: drogaggio del silicio.
Utilizzando il boro (terzo gruppo) si ottiene una struttura di tipo p (con un eccesso di
lacune), utilizzando il fosforo (quinto gruppo) una struttura di tipo n (con un eccesso di
elettroni). Nello strato drogato con fosforo, che ha cinque elettroni di valenza contro i
quattro del silicio, è presente una carica negativa debolmente legata, composta da un
elettrone per ogni atomo di fosforo. Analogamente, nello strato drogato con boro, che
ha tre elettroni esterni, si determina una carica positiva in eccesso, composta dalle
lacune presenti negli atomi di boro quando si legano al silicio. Affacciando i due strati
si attiva un flusso elettronico dalla zona n alla zona p che, raggiunto il punto di
equilibrio elettrostatico, determina un eccesso di carica positiva nella zona n, dovuto
agli atomi di fosforo con un elettrone in meno, e un eccesso di carica negativa nella
zona p, dovuto agli elettroni migrati dalla zona n. In altri termini gli elettroni presenti
nel silicio tipo n diffondono per un breve tratto nel silicio tipo p: il silicio di tipo n si
carica positivamente, quello di tipo p si carica negativamente e si crea così una
regione intermedia, detta zona di svuotamento o di carica spaziale, in cui
praticamente non ci sono cariche libere bensì una differenza di potenziale (potenziale
Stefano Martino 11
Capitolo Primo Il Solare Fotovoltaico
di built-in) che, a sua volta, determina un campo elettrico interno dell’ampiezza di
pochi micrometri.
M
a
t
e
r
i
a
l
e
P
M
a
t
e
r
i
a
l
e
N
Boro
Fosforo
Fosforo Fosforo
Silicio
Silicio
Silicio
Silicio
SilicioSilicio
Boro Boro
Giunzione
Regione di
svuotamento
Boro
FosforoSilicio Silicio
SilicioSilicio
+
-
Densità
di carica
D
i
s
t
a
n
z
a
Figura 1.10: giunzione p-n e regione a svuotamento di carica.
Proprio l’esistenza di questo campo elettrico di built-in nella giunzione p-n è l’origine
dell’attività fotovoltaica nelle celle al silicio. Nel momento in cui un fotone, con
un’energia maggiore del bandgap del semiconduttore, attraversa la giunzione, può
essere assorbito dal materiale generando un gran numero di coppie elettrone-lacuna
proprio nella regione a svuotamento di carica. I portatori minoritari di carica in tal
modo prodotti (lacune nella regione n ed elettroni nella zona p) sono spazzati dal
campo elettrico in direzioni opposte (gli elettroni verso la zona n e le lacune verso la
zona p). Tutte quelle cariche libere che non si sono ricombinate, una volta attraversata
la depletion region, non tornano più indietro, perché il campo, agendo da “diodo”,
impedisce loro di invertire la marcia; esse contribuiscono alla fotocorrente che
attraverserebbe un carico esterno opportunamente collegato. Fino a quando la cella
resta esposta alla luce, l'elettricità fluisce con regolarità sotto forma di corrente
continua.
Riassumendo, in una cella solare a giunzione p-n si ha:
• L’assorbimento della luce attraverso l’eccitazione degli elettroni nel bulk;
• La separazione di carica nel campo elettrico interno alla giunzione;
• La migrazione e raccolta della carica tramite il trasporto di elettroni e lacune
lungo il semiconduttore ai contatti elettrici.
Stefano Martino 12
Capitolo Primo Il Solare Fotovoltaico
Figura 1.11: generazione e separazione di carica in una giunzione p-n. Si osservi come nel momento in cui
i due semiconduttori sono uniti insieme il livello di Fermi da entrambi i lati viene forzato a coincidere
causando il raccordo delle bande di valenza e di conduzione.
L’efficienza di una cella solare dipende quindi dall’efficienza di ognuno dei tre
meccanismi appena visti. L’efficienza di conversione per celle fotovoltaiche di Silicio
monocristallino in applicazioni speciali di laboratorio ha raggiunto un valore del 25%
[4], mentre per i pannelli solari in silicio cristallino commerciale, siamo intorno al 15%
[5]. I motivi di tale bassa efficienza sono molteplici e possono essere raggruppati in
diverse categorie:
• Riflessione: non tutti i fotoni che incidono su una cella penetrano al suo
interno, dato che in parte sono riflessi dalla superficie della cella e in parte
incidono sulla griglia metallica dei contatti;
• Fotoni troppo o poco energetici: per rompere il legame tra elettrone e nucleo
occorre una certa energia e non tutti i fotoni incidenti possiedono energia
sufficiente. L’efficienza quantica tiene in conto quest’aspetto;
• Ricombinazione: non tutte le coppie elettrone-lacuna generate vengono
raccolte dal campo elettrico di giunzione e inviate al carico esterno, dato che
nel percorso dal punto di generazione verso la giunzione possono incontrare
cariche di segno opposto e quindi ricombinarsi.
• Resistenze parassite (shunt): le cariche generate e raccolte nella zona di
svuotamento devono essere inviate all’esterno. L’operazione di raccolta è
compiuta dai contatti metallici, posti sul fronte e sul retro della cella. Anche se
durante la fabbricazione viene effettuato un processo di lega tra Silicio e
Alluminio dei contatti, resta una certa resistenza all’interfaccia, che provoca
una dissipazione che riduce la potenza trasferita al carico.
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