L '"effetto fotovoltaico" è il processo fisico di base attraverso il quale una cella fotovoltaica converte la luce solare in elettricità. La luce solare è composta da fotoni o particelle di energia solare. Questi fotoni contengono varie quantità di energia corrispondenti alle diverse lunghezze d'onda dello spettro solare.
Quando i fotoni colpiscono una cella fotovoltaica, possono essere riflessi o assorbiti o possono passare attraverso. Solo i fotoni assorbiti generano elettricità. Quando ciò accade, l'energia del fotone viene trasferita ad un elettrone in un atomo della cellula (che in realtà è un semiconduttore).
Con la sua nuova energia, l'elettrone è in grado di fuggire dalla sua posizione normale associata a quell'atomo per diventare parte della corrente in un circuito elettrico. Lasciando questa posizione, l'elettrone provoca la formazione di un "buco". Le proprietà elettriche speciali della cella fotovoltaica, un campo elettrico incorporato, forniscono la tensione necessaria per pilotare la corrente attraverso un carico esterno (come una lampadina).
Per indurre il campo elettrico all'interno di una cella fotovoltaica, due semiconduttori separati sono inseriti insieme. I tipi di semiconduttori "p" e "n" corrispondono a "positivo" e "negativo" a causa della loro abbondanza di buchi o elettroni (gli elettroni extra formano un tipo "n" perché un elettrone ha effettivamente un negativo caricare).
Sebbene entrambi i materiali siano elettricamente neutri, il silicio di tipo n ha elettroni in eccesso e il silicio di tipo p ha fori in eccesso. Inserendoli insieme, si crea una giunzione p / n sulla loro interfaccia, creando così un campo elettrico.
Quando i semiconduttori di tipo p e di tipo n sono inseriti insieme, gli elettroni in eccesso nel materiale di tipo n scorrono verso il tipo p e i fori così lasciati liberi durante questo flusso di processo verso il tipo n. (Il concetto di un buco che si muove è un po 'come guardare una bolla in un liquido. Sebbene sia il liquido che si sta effettivamente muovendo, è più facile descrivere il movimento della bolla mentre si muove nella direzione opposta.) Attraverso questo flusso di elettroni e lacune, i due semiconduttori fungono da batteria, creando un campo elettrico sulla superficie in cui si incontrano (noto come "giunzione"). È questo campo che fa saltare gli elettroni dal semiconduttore verso la superficie e li rende disponibili per il circuito elettrico. Allo stesso tempo, i fori si muovono nella direzione opposta, verso la superficie positiva, dove attendono gli elettroni in arrivo.
In una cella fotovoltaica, i fotoni vengono assorbiti nello strato p. È molto importante "sintonizzare" questo strato sulle proprietà dei fotoni in arrivo per assorbire il maggior numero possibile e quindi liberare il maggior numero possibile di elettroni. Un'altra sfida è impedire agli elettroni di incontrarsi con buchi e "ricombinarsi" con loro prima che possano sfuggire alla cellula.
Per fare ciò, progettiamo il materiale in modo che gli elettroni vengano liberati il più vicino possibile alla giunzione, in modo che il campo elettrico può aiutare a inviarli attraverso lo strato di "conduzione" (lo strato n) e fuori nell'elettrico circuito. Massimizzando tutte queste caratteristiche, miglioriamo l'efficienza di conversione * della cella fotovoltaica.
Per realizzare una cella solare efficiente, cerchiamo di massimizzare l'assorbimento, minimizzare la riflessione e la ricombinazione e quindi massimizzare la conduzione.
Il modo più comune di produrre materiale in silicio di tipo p o n è quello di aggiungere un elemento che ha un elettrone in più o manca di un elettrone. Nel silicio, usiamo un processo chiamato "doping".
Useremo il silicio come esempio perché il silicio cristallino era il materiale semiconduttore utilizzato nei primi dispositivi fotovoltaici di successo, è ancora il materiale fotovoltaico più utilizzato e, sebbene altri materiali e design fotovoltaici sfruttano l'effetto fotovoltaico in modi leggermente diversi, sapendo come funziona l'effetto nel silicio cristallino ci dà una comprensione di base di come funziona in tutti i dispositivi
Come illustrato in questo diagramma semplificato sopra, il silicio ha 14 elettroni. I quattro elettroni che orbitano attorno al nucleo nel livello più esterno, o "valenza", vengono dati, accettati o condivisi con altri atomi.
Tutta la materia è composta da atomi. Gli atomi, a loro volta, sono composti da protoni caricati positivamente, elettroni caricati negativamente e neutroni neutri. I protoni e i neutroni, che hanno approssimativamente le stesse dimensioni, comprendono il "nucleo" centrale compatto dell'atomo, dove si trova quasi tutta la massa dell'atomo. Gli elettroni molto più leggeri orbitano attorno al nucleo a velocità molto elevate. Sebbene l'atomo sia costruito da particelle caricate in modo opposto, la sua carica complessiva è neutra perché contiene un numero uguale di protoni positivi ed elettroni negativi.
Gli elettroni orbitano attorno al nucleo a diverse distanze, a seconda del loro livello di energia; un elettrone con meno orbite energetiche vicino al nucleo, mentre uno di orbite energetiche maggiori si trova più lontano. Gli elettroni più lontani dal nucleo interagiscono con quelli degli atomi vicini per determinare il modo in cui si formano le strutture solide.
L'atomo di silicio ha 14 elettroni, ma la loro disposizione orbitale naturale consente solo a questi quattro di essere dati, accettati o condivisi con altri atomi. Questi quattro elettroni esterni, chiamati elettroni di "valenza", svolgono un ruolo importante nell'effetto fotovoltaico.
Un gran numero di atomi di silicio, attraverso i loro elettroni di valenza, possono legarsi insieme per formare un cristallo. In un solido cristallino, ciascun atomo di silicio condivide normalmente uno dei suoi quattro elettroni di valenza in un legame "covalente" con ciascuno dei quattro atomi di silicio adiacenti. Il solido, quindi, è costituito da unità base di cinque atomi di silicio: l'atomo originale più gli altri quattro atomi con cui condivide i suoi elettroni di valenza. Nell'unità base di un solido di silicio cristallino, un atomo di silicio condivide ciascuno dei suoi quattro elettroni di valenza con ciascuno dei quattro atomi vicini.
Il solido cristallo di silicio, quindi, è composto da una serie regolare di unità di cinque atomi di silicio. Questa disposizione regolare e fissa di atomi di silicio è nota come "reticolo cristallino".
Il processo di "doping" introduce un atomo di un altro elemento nel cristallo di silicio per alterarne le proprietà elettriche. Il drogante ha tre o cinque elettroni di valenza, al contrario dei quattro di silicio.
Gli atomi di fosforo, che hanno cinque elettroni di valenza, sono usati per drogare il silicio di tipo n (perché il fosforo fornisce il suo quinto elettrone libero).
Un atomo di fosforo occupa lo stesso posto nel reticolo cristallino precedentemente occupato dall'atomo di silicio che ha sostituito. Quattro dei suoi elettroni di valenza assumono le responsabilità di legame dei quattro elettroni di valenza al silicio che hanno sostituito. Ma il quinto elettrone di valenza rimane libero, senza responsabilità di legame. Quando numerosi atomi di fosforo vengono sostituiti con silicio in un cristallo, diventano disponibili molti elettroni liberi.
La sostituzione di un atomo di fosforo (con cinque elettroni di valenza) con un atomo di silicio in un cristallo di silicio lascia un elettrone extra non legato che è relativamente libero di muoversi attorno al cristallo.
Il metodo più comune di doping è di ricoprire la parte superiore di uno strato di silicio con fosforo e quindi riscaldare la superficie. Ciò consente agli atomi di fosforo di diffondersi nel silicio. La temperatura viene quindi abbassata in modo che la velocità di diffusione scenda a zero. Altri metodi per introdurre il fosforo nel silicio includono la diffusione gassosa, un drogante liquido processo a spruzzo e una tecnica in cui gli ioni fosforo vengono spinti precisamente nella superficie del silicio.
Naturalmente, il silicio di tipo n non può formare il campo elettrico da solo; è inoltre necessario modificare del silicio per avere proprietà elettriche opposte. Quindi, il boro, che ha tre elettroni di valenza, viene usato per drogare il silicio di tipo p. Il boro viene introdotto durante la lavorazione del silicio, dove il silicio viene purificato per l'uso in dispositivi fotovoltaici. Quando un atomo di boro assume una posizione nel reticolo cristallino precedentemente occupato da un atomo di silicio, c'è un legame mancante di un elettrone (in altre parole, un buco in più).
Come il silicio, tutti i materiali fotovoltaici devono essere realizzati in configurazioni di tipo p e tipo n per creare il campo elettrico necessario che caratterizza una cella fotovoltaica. Ma questo viene fatto in diversi modi, a seconda delle caratteristiche del materiale. Per esempio, silicio amorfo la struttura unica rende necessario uno strato intrinseco (o i layer). Questo strato non drogato di silicio amorfo si adatta tra gli strati di tipo n e di tipo p per formare quello che viene chiamato un design "p-i-n".
policristallino i film sottili come il diselenide di rame indio (CuInSe2) e il tellururo di cadmio (CdTe) mostrano grandi promesse per le celle fotovoltaiche. Ma questi materiali non possono essere semplicemente drogati per formare strati n e p. Invece, per formare questi strati vengono utilizzati strati di materiali diversi. Ad esempio, uno strato "finestra" di solfuro di cadmio o materiale simile viene utilizzato per fornire gli elettroni extra necessari per renderlo di tipo n. CuInSe2 può essere di per sé prodotto di tipo p, mentre CdTe beneficia di uno strato di tipo p realizzato con un materiale come il tellururo di zinco (ZnTe).
Arseniuro di gallio (GaAs) viene modificato in modo simile, di solito con indio, fosforo o alluminio, per produrre una vasta gamma di materiali di tipo n e p.
* L'efficienza di conversione di una cella fotovoltaica è la percentuale di energia solare che la cella converte in energia elettrica. Questo è molto importante quando si parla di dispositivi fotovoltaici, perché il miglioramento di questa efficienza è fondamentale per rendere competitiva l'energia fotovoltaica con fonti di energia più tradizionali (ad esempio, i combustibili fossili). Naturalmente, se un pannello solare efficiente può fornire la stessa energia di due pannelli meno efficienti, il costo di tale energia (per non parlare dello spazio richiesto) sarà ridotto. Per fare un confronto, i primi dispositivi fotovoltaici hanno convertito circa l'1% -2% dell'energia solare in energia elettrica. I dispositivi fotovoltaici di oggi convertono il 7% -17% di energia luminosa in energia elettrica. Naturalmente, l'altro lato dell'equazione è il denaro che costa per fabbricare i dispositivi fotovoltaici. Questo è stato migliorato anche negli anni. In effetti, gli attuali impianti fotovoltaici producono elettricità a una frazione del costo dei primi impianti fotovoltaici.