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Come fa un pannello fotovoltaico a produrre corrente?

I pannelli fotovoltaici sono dispositivi optoelettronici costituiti da celle fotovoltaiche. Le celle fotovoltaiche sono dispositivi in grado di convertire l'energia solare in energia elettrica mediante effetto fotovoltaico. Il Diossido di Silicio è il costituente principale delle celle. È ottenuto tramite fusione di Polverino di Carbone e sabbia. Dalla fusione, si ottiene Silicio al 98% di purezza, che, trattato in forno con acido idrocloridrico, diventa liquido e, distillato a 1000 ºC, assume, nel raffreddamento, le caratteristiche di Silicio Monocristallino o Policristallino.

La produzione di energia elettrica è possibile grazie alla giunzione p-n, realizzata in ciascuna cella fotovoltaica. La giunzione p-n è costituita da due zone: una con eccesso di elettroni (strato n) ed una con eccedenza di lacune (strato p). Il Boro viene impiegato per realizzare la regione di tipo p mentre il Fosforo per quella di tipo n. Il Silicio drogato con il Boro (p) quando è posto a contatto con quello drogato con il Fosforo (n) inizia ad assorbire gli elettroni di quest’ultimo e trasferisce le sue lacune. In tal modo, dopo brevissimo tempo, il lato-p sarà polarizzato negativamente mentre il lato –n positivamente.

È la radiazione solare che, grazie all’effetto fotoelettrico, fornisce i pacchetti energetici (fotoni) che inducono il rilascio di una coppia elettrone-lacuna. Il Silicio è sensibile a tale effetto per le radiazioni di lunghezza d’onda compresa fra 0.4 e 1.1 micron. Lunghezze d’onda maggiori non vengono assorbite. I fotoni a lunghezze d’onda inferiori di 0.4 micron, invece, vengono utilizzati solo in parte per l’effetto fotoelettrico, i restanti causano solo un aumento di temperatura della cella.

La tipica cella fotovoltaica prodotta industrialmente è costituita da una sottile fetta di silicio mono o policristallino, di spessore variabile fra 0.08 e 0.3 mm, di forma quadrata, rettangolare o circolare. Nello spessore della cella si distinguono due strati semiconduttori: quello superiore esposto alla radiazione solare, molto sottile, di tipo n, ed un secondo strato, di tipo p, in cui avviene l’assorbimento della luce incidente. La luce genera all’interno della cella le coppie elettrone-lacuna, che migrano verso gli elettrodi sotto l’azione del campo elettrico presente alla giunzione p-n: gli elettroni vengono raccolti dall’elettrodo superiore, le lacune da quello inferiore, creando, così, un generatore di corrente. Il comportamento elettrico di una cella può essere rappresentato con un circuito elettrico equivalente, come in figura.

La conduttanza Gi tiene conto delle dispersioni verso terra durante il normale funzionamento mentre Rs rappresenta le perdite interne della cella e dipende dallo spessore della giunzione p-n, dalle impurità presenti e dalla resistenza di contatto. L’efficienza di conversione della cella è fortemente influenzata dal valore di Rs. È evidente che da un punto di vista energetico sarebbe auspicabile che tutte le coppie elettrone-lacuna generatesi dall’effetto fotoelettrico fluiscano verso il carico esterno, senza ricombinarsi all’interno della stessa giunzione. Per far ciò è importante che la conduttanza della cella sia la più bassa possibile e ciò dipende dalla qualità e dal grado di purezza della cella stessa. Qualora venga ad aumentare la resistenza Rs, associata al cablaggio elettrico della cella e al sistema di fissaggio dello stesso, la riduzione di voltaggio aumenterebbe considerevolmente a causa della caduta sull’interfaccia che separa la cella dai contatti.

Le caratteristiche della cella si modificano al variare della temperatura e della irradiazione solare incidente. Al diminuire della potenza radiante, si ha una decisa riduzione della corrente di corto-circuito, di contro il voltaggio a circuito aperto non varia in modo marcato; il risultato sarà una forte diminuzione della potenza massima erogabile dal pannello fotovoltaico. La temperatura, invece, gioca un ruolo differente, modificando, invece, il voltaggio a circuito aperto e operando una moderata influenza sulla corrente di corto-circuito; l’influenza sul valore di potenza massima risulta meno marcata. La temperatura di lavoro della cella (NOCT) viene fornita dal costruttore e rappresenta la temperatura raggiunta dalla cella quando sottoposta ad un irraggiamento di 800 W/m2, ad una temperatura dell’aria di 20 ºC, ad una velocità del vento di 1 m/s e ad uno spettro di radiazione AM1.5. Tanto più piccolo è il NOCT, tanto migliore è la qualità della cella, poiché un NOCT basso indica una buona capacità di conversione energetica ed un buon smaltimento del calore. Il NOCT, in genere, è compreso tra 41 e 50 ºC.

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