La cella fotovoltaica

Una cella solare è fondamentalmente un diodo a semiconduttore di grossa sezione, forma quadrata, circolare o rettangolare secondo il tipo di cella, posto tra due elettrodi, uno frontale massiccio se trasparente alla luce oppure a forma di griglia, per consentire il passaggio delle radiazione solare, e l’altro posteriore a forma di piastra. La cella fotovoltaica è un dispositivo capace di convertire l’energia luminosa, su di essa incidente, direttamente in energia elettrica. La conversione diretta dell’energia utilizza il fenomeno fisico dell’interazione della radiazione luminosa con gli elettroni di valenza nei materiali semiconduttori, denominato effetto fotovoltaico. Una opportuna quantità di energia trasmessa agli elettroni dai fotoni che costituiscono la radiazione luminosa, genera un flusso di elettroni ordinato e orientato dal campo elettrico generatosi all’interno della giunzione della cella. Di tutta l’energia che investe la cella solare sotto forma di radiazione luminosa, solo una parte viene convertita in energia elettrica disponibile ai suoi morsetti. L’efficienza di conversione per celle commerciali al silicio è in genere compresa tra il 13% e il 17%, mentre realizzazioni speciali di laboratorio hanno raggiunto valori del 32,5%. I motivi di tale bassa efficienza sono molteplici e possono essere raggruppati in quattro categorie: - Riflessione: non tutti i fotoni che \incidono sulla cella penetrano al suo interno - Fotoni troppo o poco energetici: per rompere il legame tra elettrone e nucleo è necessaria una certa energia, e non tutti i fotoni incidenti possiedono energia sufficiente. Quelli troppo energetici generano coppie elettrone-lacuna, dissipando in calore l’energia eccedente quella necessaria a staccare l’elettrone dal nucleo. - Ricombinazioni: non tutte le coppie elettrone- lacuna generate vengono raccolte dal campo elettrico di giunzione e inviate al carico esterno - Resistenze parassite Esponendo la cella alla radiazione solare, essa si comporta come un generatore di corrente continua. La caratteristica di una cella fotovoltaica è funzione di tre variabili fondamentali: · Intensità della radiazione solare · Temperatura · Area della cella L’intensità della radiazione non ha un effetto significativo sul valore della tensione a vuoto Voc; viceversa l’intensità della corrente di corto circuito Isc varia in modo proporzionale al variare dell’intensità dell’irraggiamento, crescendo al crescere di questo. La temperatura non ha effetto significativo sul valore della corrente di corto circuito L’area della cella non ha alcun effetto sul valore della tensione. Tali concetti sono esplicitati attraverso le seguenti espressioni: Isc = Iph = K*S*G Voc = 1/A * ln((Iph + Io)/Io) A = (q/(m*K*T)) S = superficie della cella; G = irragiamento; IPH = corrente del generatore; I0 = corrente di saturazione inversa della cella; q = carica elettrone; K = cost. di Boltzmann; T = temperatura della giunzione; m = coefficiente di non idealità della giunzione