È la conversione di radiazione elettromagnetica (soprattutto luce) in corrente elettrica che si produce in alcuni materiali, come il silicio (Si) e il germanio (Ge), detti semiconduttori. Gli strumenti funzionanti secondo il principio fotovoltaico sotto detti cellule o celle fotovoltaiche. Esse si utilizzano generalmente per l’alimentazione di calcolatrici e orologi a energia solare e, in fisica nucleare, come rivelatori di fotoni (raggi γ). Sui satelliti artificiali, grandi pannelli solari forniscono energia agli strumenti di bordo.
In fisica dello stato solido, l’effetto fotovoltaico è il fenomeno fisico di interazione radiazione-materia che si realizza quando un elettrone presente nella banda di valenza di un materiale (generalmente un semiconduttore) passa alla banda di conduzione a causa dell’assorbimento di un fotone sufficientemente energetico che incide sul materiale stesso (esposizione alla luce).
MECCANISMO DELL’EFFETTO FOTOVOLTAICO
I semiconduttori hanno una capacità di condurre la corrente che dipende molto dalla loro purezza e che può essere aumentata introducendo in essi delle impurità (drogaggio). Accostando due semiconduttori drogati in modo che abbiano l’uno un eccesso di cariche positive (dette lacune), l’altro di cariche negative, si ottiene una giunzione p-n.
Il semiconduttore assorbe parte dei fotoni della luce che lo illumina. Quando un fotone viene assorbito, la sua energia libera un elettrone (che può muoversi nel semiconduttore) e genera al tempo stesso una lacuna positiva. L’elettrone e la lacuna vengono separati spontaneamente dal campo elettrico della giunzione e si accumulano in due zone opposte così da generare ai capi del dispositivo una differenza di potenziale: collegando i due capi a un circuito si ottiene la corrente elettrica.
STORIA E TEORIA
L’effetto fotovoltaico, osservato per la prima volta dal fisico francese Alexandre Edmond Becquerel nel 1839, costituisce una delle prove indirette della natura corpuscolare delle onde elettromagnetiche. La teoria fisica che spiega l’effetto fotoelettrico, del quale l’effetto fotovoltaico rappresenta una sottocategoria, fu pubblicata nel 1905 da Albert Einstein che per questo ricevette il Premio Nobel per la fisica nel 1921. Quando una radiazione elettromagnetica investe un materiale può, in certe condizioni, cedere energia agli elettroni più esterni degli atomi che costituiscono il materiale. Se l’energia ceduta è sufficiente, l’elettrone risulta libero di allontanarsi dall’atomo di origine. L’assenza dell’elettrone nell’atomo di origine viene chiamata lacuna. L’energia sufficiente per liberare l’elettrone dall’atomo di origine (per passare quindi dalla banda di valenza, che corrisponde allo stato legato più esterno, alla banda di conduzione, ove non è più legato) deve essere almeno uguale (e quindi anche maggiore) alla banda proibita del materiale. Nella fisica dei sistemi fotovoltaici viene definita la risposta spettrale assoluta RS(λ), il rapporto tra la misura della corrente elettrica generata dalla cella fotovoltaica (misurata in A) e la potenza incidente (misurata in W). Normalmente questa misura viene fornita in termini spettrali, cioè in funzione della lunghezza d’onda (λ) della luce incidente sulla cella fotovoltaica in maniera del tutto analoga al concetto di risposta in frequenza.
Le parole dell’ENERGIA RINNOVABILE e PULITA
#1 – Le celle fotovoltaiche
#2 – I semiconduttori
#4 – L’inverter fotovoltaico
#5 – Le caldaie a condensazione