Semiconduttori in una cella solare

Come funziona una cella solare dal punto di vista fisico. La conversione della radiazione solare in energia elettrica nei pannelli solari fotovoltaici avviene mediante l'effetto indotto dal flusso luminoso che investe il materiale semiconduttore (silicio). Ciò avviene in determinate condizioni:

• il materiale semiconduttore (silicio) incorpora un atomo di tipo P (boro)
• il materiale semiconduttore (silicio) incorpora un atomo di tipo N (fosforo)

Le operazioni di inserimento di atomi differenti dal silicio sono dette operazioni di "drogaggio" del semiconduttore. Per comprendere meglio il funzionamento è opportuno analizzare la struttura atomica degli atomi di silicio in una cella solare. Ogni atomo di silicio è circondato da altri atomi di sicilio con i quali ha in comune uno dei quattro elettroni di valenza nelle orbite più esterne. Introducendo nel reticolo cristallino un atomo con 3 elettroni nelle orbite esterne (ad esempio un atomo di boro) viene a crearsi uno spazio vuoto nel reticolo dovuto alla mancanza di un elettrone rispetto agli atomi vicini di silicio (i quali ne hanno 4). Questo spazio vuoto è detto "lacuna" nella banda di valenza. L'atomo in questione è detto "accettore" e il semiconduttore è di tipo P. Allo stesso modo, introducendo nel reticolo un atomo con 5 elettroni nelle orbite esterne (ad esempio un atomo di fosforo) vi sarà un elettrone in eccesso. L'atomo in questione è detto "donatore" e il semiconduttore è di tipo N. Ponendo a contatto i due cristalli di silicio di tipo P e di tipo N si ottiene una giunzione P-N. Le lacune (spazi vuoti nelle orbite) presenti nel cristallo P tendono a spostarsi nel cristallo N. Allo stesso modo, gli elettroni in eccesso nel cristallo N tendono a spostarsi verso il cristallo P. Questo fenomeno continua finché il potenziale elettrico generato dallo spostamento delle cariche non controbilancia il moto di diffusione.

Come fa il semiconduttore a produrre corrente

Per lo spostamento gli elettroni (e di conseguenza le lacune) necessitano dell'intervento di una energia proveniente dall'esterno. In assenza di flusso di energia dall'esterno gli atomi nel reticolo hanno tutti uno stato energetico nella banda di valenza. Nel momento in cui agisce sugli elettroni una forza esterna con sufficiente energia, questi modificano il proprio stato dallo stato di valenza allo stato di conduzione. La forza di energia proveniente dall'esterno è la luce solare (radiazione solare). La luce solare è composta di particelle di energia dette fotoni. Quando i fotoni colpiscono il materiale semiconduttore della cella fotovoltaica, una parte di energia viene riflessa, una parte si trasforma in calore ed un'ultima parte provoca uno spostamento degli elettroni degli atomi nel materiale semiconduttore. L'energia del flusso di fotoni libera un certo numero di elettroni/lacune. Gli elettroni spostati nella struttura atomica del semiconduttore iniziano a scorrere, producendo una corrente elettrica nel corpo del semiconduttore. Questo è il principio fisico in base al quale una cella solare produce energia elettrica nel momento in cui è irraggiata dalla luce solare.