lunedì 25 luglio 2011

Come Funziona una cella fotovoltaica


Come Funziona una cella fotovoltaica.




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Come Funziona una cella fotovoltaica.




La conversione diretta dell'energia solare in energia elettrica, realizzata con la cella fotovoltaica, utilizza il fenomeno fisico dell'interazione della radiazione luminosa con gli elettroni di valenza nei materiali semiconduttori.

Fino ad oggi il materiale maggiormente utilizzato nella costruzione delle celle fotovoltaiche è stato il silicio cristallino.

Gli elementi basilari che è necessario inquadrare, sono forniti di seguito.
Gli atomi del silicio, costituiti da 14 elettroni, ne possiedono 4, detti di valenza, disponibili a legarsi in coppia con elettroni di valenza di altri atomi (per rendere più gustosa la narrazione, ci piace paragonare gli elettroni di valenza a bottoni double faces che possono vincolarsi ad bottoni uguali a se stessi).

Inizialmente, i 4 elettroni di valenza di un atomo di silicio cristallino agganciano altri 4 atomi che gli stanno attorno e formano una struttura stabile.  Se esposto alla luce, ciascun elettrone di valenza si stacca e passa ad un livello energetico superiore, detta banda di conduzione, dove è in grado di contribuire al flusso elettrico (il bottone, esposto alla luce, si deforma e, staccandosi, è libero di rotolare via).

Così facendo l'elettrone si lascia dietro un elettrone spaiato, una cosiddetta lacuna. Se le lacune sono tante in una zona, per una sorta di redistribuzione queste vengono occupate dagli elettroni vicino, che a loro volta lasciano un'altra lacuna, eccetera.  Si forma così un flusso di lacune che va al pari con il flusso di elettroni  (qui è come se una sarta senza bottoni nuovi fosse al lavoro e che si ingegnasse di sostituire rapidamente quelli mancanti nelle aree dove ce ne sono di meno, staccandoli dalle aree dove ce ne sono di più).

Il flusso di elettroni sarebbe disordinato ed infruttuoso se non vi fosse un potenziale elettrico orientato a priori (si crea una sorta di leggera discesa che convoglia i bottoni deformati verso il basso).  Il potenziale è ottenuto sovrapponendo due strati di silicio, in ognuno dei quali si introduce un particolare elemento chimico (operazione di drogaggio). Solitamente sono in contatto un sottile strato drogato con fosforo e uno più spesso drogato con boro.

Il fosforo ha valenza 5. La presenza di alcuni elettroni in più nello strato (in rapporto di 1 a 100) comporta una carica debolmente negativa (strato n, negativo).  L'opposto accade nello strato drogato con qualche atomo di boro (strato p), in rapporto di un atomo per ogni milione di atomi di silicio, che ha valenza 3: il legame fa nascere le lacuna. 

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Questa è la giunzione p-n, che determina un campo elettrico stabile nella cella (una discesa permanente) che convoglia il flusso di elettroni dovuti all'effetto voltaico.
I fotoni della luce solare colpiscono la cella fotovoltaica dal lato n e possono essere riflessi, assorbiti o attraversare la cella, in ragione della lunghezza d'onda. 

Fra i fotoni assorbiti, alcuni producono solo calore (ma non riescono a deformare i bottoni) ed altri spingono gli elettroni nella banda di conduzione.

Le coppie elettrone-lacuna danno quindi origine ad un flusso elettronico unidirezionale. I contatti dei due strati p-n sono saldati a due terminali nastriformi in materiale conduttivo.
Se si collegano i terminali, chiudendo il così circuito dall'esterno, si ottiene un flusso di energia nel circuito (ovvero l'energia elettrica), sotto forma di corrente continua (è come se noi guadagnassimo nel rivendere i bottoni che ricaviamo da un lato alla parte opposta).

La disposizione del circuito elettrico a contatto della cella è un aspetto rilevante, ai nostri scopi. Generalmente il lato non esposto (p) è completamente collegato mentre il lato esposto alla luce solare è bene sia coperto solo parzialmente. Vi sono vari motivi, ma il più evidente è che il collegamento copre la cella, impedendo il passaggio ai fotoni.



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