Energia solare: pannelli fotovoltaici

L’energia solare può essere utilizzata per generare elettricità o calore attraverso opportuni dispositivi.

La crescente richiesta di energia ha spinto verso la ricerca di fonti alternative ai combustibili fossili che possano garantire lo sviluppo sostenibile del nostro pianeta.
Le energie alternative non sono esenti da problematiche ma, con il tempo, si stanno rivelando la soluzione più accreditata per il futuro energetico.

Tra le fonti di energetiche alternative vi è lo sfruttamento dell’energia solare che era già noto fin dall’antichità. Lo dimostra il sistema di riscaldamento delle case da parte degli Anasazi popolo nativo del Nord Amarica vissuto tra il VII e il XIV secolo.

Energia solare e tecnologie

Le tecnologie che possono essere utilizzate per convertire l’energia solare in altre forme di energia sono classificabili come pannello:

-fotovoltaico

-solare termico

-solare a concentrazione

Pannello fotovoltaico

Un pannello fotovoltaico è in grado di convertire l’energia solare in elettricità tramite l’effetto fotovoltaico.

Sebbene esistano diversi tipi di pannelli fotovoltaici essi sfruttano tutti dei semiconduttori costituiti prevalentemente da silicio.
Oltre al silicio possono essere presenti arseniuro di gallio GaAs, tellururo di cadmio CdTe e seleniuro  di rame indio gallio indicato con l’acronimo CIGS e avente formula CuIn_xGa_(1-x)Se₂.

In un semiconduttore intrinseco come il silicio tutti gli elettroni di valenza sono utilizzati per la formazione di legami covalenti che  si trovano nella banda di valenza
Se a questo semiconduttore è aggiunta una piccolissima quantità di impurezza (1 atomo ogni 10⁶ atomi) si verifica il drogaggio del semiconduttore. Questo diviene un semiconduttore estrinseco.

Drogaggio

Se viene aggiunto come dopante arsenico, fosforo o antimonio che hanno 5 elettroni di valenza essi si inseriscono nel reticolo formando 4 legami covalenti con il silicio e rimane un elettrone non legato che è libero di muoversi.

Un tale tipo di semiconduttore, detto di tipo n (dove n sta per negativo) possiede elettroni liberi. Essi hanno una propria banda di energia che si trova appena al di sotto alla banda di conduzione. Ciò significa che a temperatura ambiente gli elettroni possono saltare facilmente nella banda di conduzione sotto l’azione di un campo elettrico.

Se invece viene aggiunto come dopante boro, alluminio o gallio che hanno 3 elettroni di valenza essi si inseriscono nel reticolo ma, avendo un elettrone in meno, si ha una prevalenza di cariche fittizie positive chiamate anche lacune costituendo un semiconduttore di tipo p.

Tra i vari strati che costituiscono il pannello ve n’è uno costituito da semiconduttori di tipo n e da semiconduttori di tipo p. Questi sono a contatto tra loro in modo da generare una giunzione di tipo p-n  così da ottenere una zona con prevalenza di elettroni e l’altra con lacune.

Quando la struttura di un cristallo a giunzione p-n di un semiconduttore viene colpito dalla luce del sole questa in parte viene riflessa, in parte si trasforma in calore, ma in parte ha energia sufficiente per rompere legami nella struttura cristallina e far sì che le particelle caricate negativamente si muovano in una direzione e le particelle caricate positivamente nell’altra direzione.

Tale fenomeno è in grado di generare una forza elettromotrice ai capi della giunzione p-n dell’ordine di circa 0.5 – 0.6 V.

Pannello solare termico

Un pannello solare termico noto come collettore solare è in grado di convertire l’energia solare in energia termica . Questa può essere trasferita verso un accumulatore termico per un uso successivo come la produzione di acqua calda o il riscaldamento di un ambiente.

Pannello solare a concentrazione

È analogo a quello termico ma differisce da quest’ultimo in quanto i raggi solari confluiscono in un unico punto focale attraverso un sistema di specchi. Questi ultimi riflettono i raggi solari verso il punto focale

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