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Le celle solari: Sole e progetti dell’uomo sulle energie rinnovabili

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Le celle solari: Sole e progetti dell'uomo sulle energie rinnovabili

Il sole: croce e delizia

L’estate è bella in quanto le calde giornate ci permettono di uscir fuori dal nostro letargo e di rilassarci in riva al mare tra una bibita fresca e le chiacchiere con gli amici. Nel frattempo il sole fa il resto, donandoci un’abbronzatura da invidia o causando scottature che non passano certo inosservate nei giorni successivi.

L’estate ci fa pensare subito al sole, al suo calore e alla sua energia. Ma come sfruttare questa energia al meglio? Ovvio: trasformandola in energia elettrica attraverso il fotovoltaico.

Nel mio articolo precedente abbiamo parlato del “materiale delle meraviglie”, il grafene, e delle sue innumerevoli proprietà.

Si tratta di un materiale “appena nato”, che potenzialmente avrà diverse applicazioni in un futuro prossimo, mentre oggi si trova al centro di molti studi di ricerca, tra i quali è annoverato anche il mio lavoro di tesi triennale, basato sull’applicazione del grafene all’interno delle celle solari organiche.

Vorrei però partire dal principio e raccontarvi di queste fantomatiche celle solari fin dai loro primordi.

Celle solari: le origini

Ogni cosa ha il suo principio nel sole, nostra primaria fonte di vita e di calore.

Al centro del sole ha luogo il processo di fusione che consiste nella combinazione di due nuclei di idrogeno in un nucleo di elio, processo che porta all’irradiazione di energia nello spazio sotto forma di onde elettromagnetiche.

La Terra, sita a 143 milioni di km dal sole, riceve solo una piccola frazione di questa energia, giusto quel tanto che basta per generare vita. Se si trovasse un po’ più vicina al Sole le temperature sarebbero troppo alte, un po’ più lontana e la sua superficie sarebbe un ammasso gelido. In un caso o nell’altro le condizioni non sarebbero idonee per ospitare esseri viventi.

Il resto del “lavoro di bilancio energetico sole-terra” viene svolto dalla nostra atmosfera, che come un setaccio filtra i raggi del sole rendendoli meno violenti.

Certamente di tutta l’ energia emanata dal sole che impatta sulla terra, solo una minima percentuale viene utilizzata per garantire il quotidiano svolgimento delle attività ambientali e vitali. Il resto rimane inutilizzato.

L’energia solare può però essere sfruttata come una delle fonti energetiche rinnovabili (le altre sono vento, acque e biomasse).

I dispositivi fotovoltaici che permettono di trasformare l’energia proveniente dal sole in energia elettrica sono le celle solari.

Celle solari: piccoli cenni storici

Il fotovoltaico è nato solo nell’ultimo secolo, ma affonda le sue radici fin nell’antichità greca con la nascita delle cosiddette “città solari” di Olinto, Mileto e Priene risalenti al V secolo a.C., le cui case erano orientate verso Sud per garantirne l’accesso al sole, considerato come un diritto sociale.

Come spesso accade nella storia, anche la scoperta del principio fotovoltaico nasce per caso, quando nel 1839 un ragazzo francese di soli 19 anni, Edmond Becquerel (1820-1891), durante i suoi esperimenti su una cella elettrolitica (due elettrodi di platino immersi in una soluzione di nitrato di piombo), si accorse che i raggi solari che impattavano la superficie dell’elettrodo di platino producevano una lieve scossa elettrica.

Nel 1876 nacque poi la vera progenitrice delle moderne celle fotovoltaiche grazie agli studi di Smith, Adams e Day.

La prima cella solare ad uso commerciale vide la luce nel 1954 nei laboratori Bell, dopo oltre un secolo di studi teorici e sperimentali. I costi erano però elevati, tali da limitarne l’utilizzo alle sole applicazioni spaziali. Solo a metà degli anni 70’ si iniziarono a studiare celle solari per applicazioni terrestri.

Cosa sono le celle solari? Il loro funzionamento

Le celle solari sono dei dispositivi fotovoltaici che sfruttano l’energia proveniente dal sole e la trasformano in energia elettrica. Questo avviene grazie a delle trasformazioni che avvengono all’interno della cella.

Le celle solari si distinguono in:

  • celle solari inorganiche, in cui la generazione di elettricità avviene grazie all’effetto fotovoltaico. I materiali che le costituiscono sono prevalentemente materiali inorganici, quali il silicio;
  • celle solari organiche, di cui tratterò nel prossimo articolo, in cui la trasformazione avviene grazie alla presenza di uno strato foto-attivo a base di composti organici del carbonio.

Le celle solari inorganiche

L’effetto fotovoltaico deriva dalla combinazione di:

  • effetto fotoelettrico, che consiste nell’assorbimento di fotoni e successiva liberazione di elettroni;
  • effetto volta, ovvero generazione di corrente elettrica attraverso l’applicazione di una differenza di potenziale.

Vediamo i due effetti più da vicino.

I fotoni sono i costituenti delle radiazioni solari.

Quando i fotoni investono la superficie della cella solare, trasferiscono la loro energia agli elettroni del materiale semiconduttore che costituisce la cella stessa (effetto fotoelettrico).

L’elettrone acquista così sufficiente energia per passare dalla banda di valenza alla banda di conduzione, ovvero per slegarsi dall’atomo e diventare elettrone libero. Il suo posto verrà poi preso da un elettrone vicino, che a sua volta assorbirà l’energia del fotone saltando anche lui nella banda di conduzione, e così via. In questo modo si andrà a generare un flusso disordinato di elettroni.

Andando poi dall’esterno ad applicare un campo elettrico (effetto volta), il flusso di cariche elettriche tenderà a passare da uno stato disordinato ad uno ordinato, creando quindi una corrente elettrica.

Per la generazione di un campo elettrico (effetto volta) bisognerà mettere in contatto due strati di silicio: uno con drogaggio di tipo p e uno con drogaggio di tipo n. Si creerà così una giunzione p-n.

Come avviene il drogaggio?

Il drogaggio consiste nell’immettere all’interno della struttura cristallina del silicio degli atomi di natura differente:

  • per il drogaggio di tipo p si immettono nel silicio atomi di fosforo, che permettono la liberazione di elettroni. Si crea il semiconduttore di tipo p in cui sono concentrati più elettroni e quindi carica negativa;
  • per il drogaggio di tipo n si immettono nel silicio atomi di boro, che invece permettono la generazione di lacune (spazi vuoti liberi, assenza di elettroni). Si crea il semiconduttore di tipo n, in cui sono concentrate più lacune e quindi carica positiva.

Mettendo in contatto i due semiconduttori si ottiene un campo elettrico, il quale permetterà un flusso di corrente elettrica.

Su entrambe le superfici della cella sono poi presenti del contatti metallici, che hanno il compito di raccogliere il flusso di elettroni e di convogliarli all’estremità superiore della cella stessa.

Curiosità

Di Ecobonus ve ne aveva già parlato Paolo all’interno del suo articolo (al seguente link) quando ci ha introdotti al mondo del cappotto esterno per le abitazioni. Ebbene, l’Ecobonus 110% è valido anche per il fotovoltaico.

Nel prossimo articolo parleremo di celle solari organiche, da cosa sono costituite e come funzionano.

Arrivi tu e arrivano le viole,

gli alberi in fiore,

e rondini che annunciano l’amore.”

(Tiziana De Giorgi)

 

PHOTO: Albrecht Fietz da Pixabay 

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Laureata in Materials Engineering and Nanotechnology presso l'Università del Salento nel 2017. Attualmente lavora come Ingegnere di industrializzazione del prodotto. Appassionata per le scoperte scientifiche e culturali, ama scrivere e viaggiare.
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