Effetto fotovoltaico: cos’è e come funziona
L’effetto fotovoltaico è il fenomeno fisico che permette la produzione di energia elettrica a partire da sole. Scopri come funziona
L’effetto fotovoltaico è il fenomeno per cui l’energia solare viene convertita in energia elettrica grazie ad un impianto solare.
La sua progettazione è un processo complicato in quanto richiede il calcolo di numerose variabili e la ricerca di vari dati. Per progettare un impianto in maniera professionale, ti consiglio di utilizzare il software fotovoltaico completo e facile da usare.
Ma in che modo l’energia solare può sprigionare corrente attraverso il fenomeno fotovoltaico? Scopriamo cos’è l’effetto fotovoltaico, come nasce e come funziona.
Cos’è l’effetto fotovoltaico?
Il termine “fotovoltaico” è composto da due parole:
- foto: luce, o meglio luce solare;
- voltaico: da Alessandro Volta, inventore del primo generatore elettrico.
L’effetto fotovoltaico è dunque il fenomeno per cui l’energia solare si trasforma in energia elettrica sfruttando gli elettroni di valenza di specifici materiali, i semiconduttori.
Il sole è la stella più vicina alla Terra (distanza di 150 milioni di Km) e questa vicinanza permette alle onde elettromagnetiche presenti sulla superficie solare di poter riscaldare la superficie terrestre ed emettere energia.
Un parametro fondamentale per capire la quantità di energia che raggiunge la Terra è la costante solare (ICS) pari a 1 367 W/m². Questo valore indica la potenza massima teorica che si potrebbe ottenere sulla Terra, la quale non viene mai sfruttata interamente a causa dell’alternanza del giorno e della notte e del variare delle stagioni.
La potenza effettiva che arriva sulla Terra è ad ogni modo molto elevata ed è pari a 150 milioni di GW – (per avere un’idea basti pensare che la Terra consuma una potenza 10 volte inferiore).
Costante solare
Radiazione solare
L’energia solare raggiunge la Terra attraverso 3 tipologie di radiazione:
- radiazione diretta;
- radiazione diffusa;
- radiazione riflessa.
Radiazione solare
La radiazione diretta indica la radiazione che arriva direttamente dal Sole alla Terra senza interruzioni (nuvole, vapore acqueo, etc.).
La radiazione diffusa fa riferimento alla radiazione che giunge sulla superficie mediante il vapore acqueo o le particelle che sono sospese nell’atmosfera. Questi elementi fanno sì che la radiazione solare venga diffusa come una serie di piccoli cristalli disordinati. Si tratta di un quantitativo di radiazione meno potente rispetto alla diretta.
La radiazione riflessa, o albedo, è la parte di energia riflessa da elementi circostanti il punto captante. L’albedo è un valore espresso in percentuale o in numero puro (inferiore a 1). Il valore dell’albedo varia anche a seconda del colore degli elementi in cui la luce si riflette:
- se gli elementi in cui la luce si riflette tendono a colori chiari o bianco, il quantitativo di energia riflessa è elevato;
- se gli elementi sono di colore nero, il colore scuro assorbe la luce e l’energia riflessa è ridotta.
Pertanto, la radiazione solare totale incidente è la somma delle tre tipologie di radiazione solare che colpiscono l’impianto fotovoltaico:
Rt = Rd +Rdiff + Rrif
ove:
- Rt = Radiazione totale
- Rd = Radiazione diretta
- Rdiff = Radiazione diffusa
- Rrif = Radiazione riflessa (albedo)
Per capire quanto la radiazione solare sia incidente in un punto, oltre a far riferimento a dati astronomici e ambientali di radiazione diretta o diffusa, ti suggerisco di utilizzare il software fotovoltaico che ti offre la possibilità di inserire i valori di albedo all’interno dell’analisi di rendimento dei pannelli fotovoltaici.
Questi valori sono una variabile da non trascurare e possono variare molto da 0.75 con un campo innevato a valori molto bassi quando si ha, ad esempio, un parcheggio asfaltato.
Differenza tra effetto fotoelettrico ed effetto fotovoltaico
Fotoelettrico e fotovoltaico sono due effetti chiave per la produzione di energia elettrica a partire dai raggi solari. Si tratta di due reazioni fisiche molto simili, ma esistono delle differenze tra i due effetti.
Per definizione, l’effetto fotoelettrico è un fenomeno fisico che consiste nell’emissione di cariche negative da parte di una superficie, solitamente metallica, quando questa viene colpita da una radiazione luminosa ed elettromagnetica.
Si distingue tra:
- effetto fotoelettrico esterno (o di superficie), quando gli elettroni di conduzione di una sostanza solida e conduttrice, assorbendo l’energia di una radiazione incidente, sono emessi come elettroni liberi nello spazio;
- effetto fotoelettrico interno, quando si ha la produzione di fotoelettroni internamente alla sostanza illuminata;
- effetto fotoelettrico inverso, quando un corpo investito da elettroni sufficientemente veloci emette, a sua volta, una radiazione elettromagnetica, cioè fotoni.
L’effetto fotovoltaico non è altro che un effetto fotoelettrico interno, in cui le cariche elettriche che vengono liberate rimangono all’interno del materiale e possono contribuire alla conduzione.
Più specificamente l’effetto fotovoltaico si differenzia dall’effetto fotoelettrico per:
- luogo in cui avviene il processo: un effetto fotovoltaico avviene tramite la congiunzione di due metalli in una soluzione; quello fotoelettrico si verifica in un tubo a raggi catodici, con la partecipazione di un catodo e di un anodo collegati grazie a un circuito esterno;
- luogo di emissioni degli elettroni: nel fotovoltaico gli elettroni entrano in un altro materiale; mentre nel fotoelettrico vengono emessi in uno spazio vuoto;
- energia cinetica degli elettroni: per produrre l’effetto fotovoltaico tale parametro è essenziale; nel fotoelettrico svolge un ruolo secondario.
Effetto fotoelettrico vs effetto fotovoltaico
Chi ha scoperto l’effetto fotovoltaico?
La conversione dall’energia solare in energia elettrica è un fenomeno che si inizia ad osservare nell’800, grazie a Edmund Becquerel (1839) e Charles Fritts (1883).
Il fisico francese Edmund Becquerel (1839) ebbe l’intuizione di capire che alcuni elementi metallici esposti al sole erano in grado di generare un lieve flusso di corrente elettrica o, almeno, una forza elettromotrice per produrre energia elettrica.
Successivamente, in Inghilterra, tre scienziati, Willoughby Smith, William G. Adams e Richard Evans unirono le forze per scoprire l’effetto della luce solare sul selenio. Sulla base di questa scoperta, Charles Fritts realizzò il primo pannello solare con la creazione della prima cella al selenio, dopo aver verificato che questo metallo semiconduttore, se ricoperto con un sottilissimo strato d’oro, era in grado di aumentare la sua efficienza elettrica di conversione.
Nonostante tali scoperte, il primo a spiegare l’effetto fotovoltaico fu Albert Einstein (premio Nobel 1921), il quale comprese il fenomeno fotoelettrico che è alla base del concetto di energia fotovoltaica. Dopo tali osservazioni, solo nel 1954, si riuscì a realizzare una prima cella in silicio monocristallino capace di produrre energia elettrica. Questa invenzione avvenne nei Laboratori Bell grazie agli scienziati Gerald Pearson, Daryl Chapin e Calvin Fuller.
Negli anni ’60 e ’70 il fotovoltaico trova le prime commercializzazioni e negli anni ’70, favorito a causa della crisi petrolifera, il fotovoltaico diventa sempre più utilizzato.
Oggi le fonti rinnovabili sono sempre più comuni per produrre energia elettrica green e ridurre l’utilizzo di combustibili fossili.
Nascita del fotovoltaico
Come funziona l’effetto fotovoltaico?
L’effetto fotovoltaico è il fenomeno fisico di interazione radiazione-materia che si realizza quando la radiazione luminosa dei fotoni genera su un materiale semiconduttore (materia) il passaggio degli elettroni dalla banda di valenza alla banda di conduzione.
Il semiconduttore più comune è il silicio. Per generare le celle solari che generano l’effetto fotovoltaico, il silicio viene contaminato con delle impurezze – fenomeno di drogaggio – dando vita a due diverse tipologie:
- silicio di tipo p quando contaminato o “drogato” con sostanze trivalenti quali il boro;
- silicio di tipo n quando contaminato con impurezze pentavalenti come il fosforo.
Dalla giunzione p-n si genera la cella solare, ossia un cristallo di silicio che da un lato è prevalentemente drogato di tipo n e dall’altro di tipo p, così da ottenere una zona con prevalenza di elettroni e l’altra invece con assenza di elettroni con delle cariche fittizie positive chiamate anche lacune.
Quando la giunzione p-n è colpita dalla radiazione solare, la quale si compone di numerose particelle di energia – fotoni – si ha uno spostamento degli elettroni degli atomi nel materiale semiconduttore. La migrazione continua sino a che non si raggiunge una situazione di equilibrio. Si genera dunque un campo elettrico che si oppone al passaggio di ulteriori portatori di carica attraverso la giunzione.
Questo è il principio fisico in base al quale le celle fotovoltaiche dalla luce solare produce energia elettrica.
Giunzione pn
Le applicazioni dell’energia fotovoltaica richiedono potenza, corrente e tensione piuttosto elevate e queste sono ottenibili usando più celle contemporaneamente, collegate in serie o in parallelo. Le celle sono assemblate in una struttura, che è il modulo fotovoltaico. Collegando poi in serie/parallelo un insieme di questi moduli si ottengono i diversi tipi di pannelli fotovoltaici, che danno vita alle varie stringhe e al generatore fotovoltaico.
Questi elementi saranno poi integrati tra loro per formare l’intero impianto secondo lo schema di impianto fotovoltaico. La progettazione accurata di tale schema è fondamentale per installare un sistema efficiente in grado di generare in maniera ottimale l’effetto fotovoltaico. Ti suggerisco di provare gratuitamente il software fotovoltaico per progettare subito il tuo schema di impianto unifilare.
Materiali semiconduttori
In natura esistono diversi materiali le cui proprietà permettono di trasformare l’energia solare radiante in energia elettrica.
Questi materiali si caratterizzano per la presenza di diverse tipologie di elettroni:
- elettroni di valenza: elettroni più vincolati che, se scambiati con altri atomi, stabiliscono legami chimici;
- elettroni di conduzione: più liberi che trasportano elettricità di conduzione.
In base a come sono posizionati gli elettroni di conduzione o elettroni di valenza nello stadio energetico, si può parlare di diverse tipologie di materiali:
- materiali isolanti;
- materiali conduttori;
- materiali semiconduttori.
I materiali isolanti hanno la banda energetica degli elettroni di conduzione molto energeticamente superiore rispetto alla banda di valenza. Anche se sottoposti ad una forza elettromotrice, questi elettroni nella banda di valenza, non possono essere utilizzati per muoversi nella banda di conduzione e non generano nessuna corrente elettrica.
I materiali conduttori hanno la banda energetica di conduzione sovrapposta o molto vicina alla banda di valenza per cui, fornendo energia, gli elettroni presenti sulla banda di valenza potranno migrare nella banda di conduzione ed andare verso l’elettrodo di riferimento generando conduzione elettrica. Un esempio di materiali conduttori sono i metalli.
I materiali semiconduttori hanno la banda energetica di valenza vicina e non sovrapposta con quella di conduzione, però basta un minimo quantitativo di energia tale per cui gli elettroni di valenza possono essere promossi nella banda di conduzione ed essere sfruttati per generare una corrente elettrica. In natura sono diversi i materiali semiconduttori, tra cui il silicio, il selenio e le varie leghe.
I materiali semiconduttori sono alla base dell’effetto fotovoltaico. Essi hanno infatti la proprietà per cui con la radiazione luminosa:
- si ha il passaggio dalla banda di valenza alla banda di conduzione;
- si rende un elettrone disponibile;
- si genera corrente elettrica.
Materiali conduttori semiconduttori e isolanti
Per comprendere meglio come funzionano gli elementi base dell’effetto fotovoltaico, ti consiglio di approfondire:
- celle fotovoltaiche;
- schema di impianto fotovoltaico;
- tipi di impianto fotovoltaico;
- tipi di pannelli fotovoltaici;
- rendimento dei pannelli fotovoltaici.
Per progettare al meglio il tuo impianto fotovoltaico, ti suggerisco inoltre di provare gratuitamente la versione trial di un software fotovoltaico, in grado di progettare qualsiasi tipo di installazione capace di sfruttare al meglio l’effetto fotovoltaico.
