martedì 18 ottobre 2016

Come funzionano i Pannelli Solari?

Abbiamo già parlato dell'abbondanza di energia pulita in questo articolo. Tra le possibili alternative al consumo di combustibili fossili, l'energia solare è forse la più promettente. Non a caso molti di noi scelgono di dotarsi di pannelli fotovoltaici per risparmiare sulla bolletta. Ma come funziona un pannello solare? Com'è possibile produrre energia elettrica semplicemente esponendo un apparecchio al sole?



I semiconduttori


La fisica che sta alla base dei pannelli solari è quella dei semiconduttori. Si tratta di materiali (in primis silicio e germanio) che hanno trovato un numero sempre crescente di applicazioni a partire dal secolo scorso e che - tra le altre cose - garantiscono il funzionamento di qualunque dispositivo stiate utilizzando per leggere questo articolo.

Per capire cosa rende i semiconduttori tanto speciali bisogna partire da altre due classi di materiali: i conduttori e gli isolanti. I primi sono caratterizzati dall'estrema libertà di movimento che è concessa ai loro elettroni. In un conduttore, come il rame ad esempio, gli elettroni esterni degli atomi sono liberi di muoversi all'interno del materiale sotto l'azione di un campo elettrico. Viceversa, nei materiali isolanti gli elettroni sono saldamente legati ai loro atomi. Ora, dato che gli elettroni in movimento costituiscono la corrente elettrica che utilizziamo costantemente, non è difficile capire perché i circuiti elettrici sono costruiti con materiali conduttori.


Silicio
Bene, fino a qui non dovrei aver scritto nulla che uno studente agli ultimi anni delle superiori non abbia mai incontrato. Ma veniamo ai semiconduttori...

In condizioni normali, un semiconduttore non si comporta in maniera diversa da un isolante. Ciò che lo differenzia dai materiali di questa classe è solamente l'intensità del legame che tiene i suoi elettroni ancorati ai nuclei atomici. In un semiconduttore infatti gli elettroni più esterni degli atomi sono solo debolmente legati al nucleo. Ecco perché basta fornire a queste particelle un po' di energia per liberarle dal legame che le vincola a mantenere la loro posizione. Una volta che un elettrone è stato "liberato" diventa in grado di muoversi all'interno del materiale, e può quindi essere utilizzato per creare una corrente elettrica. Per farlo è sufficiente creare una differenza di potenziale elettrico tra i due capi del semiconduttore, sotto l'effetto della quale gli elettroni cominceranno a muoversi verso il punto a potenziale maggiore.

L'energia necessaria a liberare un elettrone in un semiconduttore può essere davvero bassa. Basti pensare che in alcuni casi è sufficiente illuminare il materiale con dei raggi infrarossi per produrre elettroni liberi! Per avere un'idea di cosa significhi è sufficiente ricordare che gli esseri umani emettono costantemente luce infrarossa (che possiamo anche rivelare con appositi visori). Insomma, basterebbe appoggiare una mano a un semiconduttore di questo tipo per produrre elettroni liberi. Sono in fase di sviluppo dei pannelli solari costruiti con questi materiali, in grado di assorbire anche la radiazione infrarossa emessa dal Sole. Il vantaggio principale di questa tecnologia è la sua maggiore operatività: i raggi infrarossi filtrano attraverso le nuvole, quindi sarebbe possibile estrarre energia elettrica dal Sole anche in condizioni di cattivo tempo.


Il funzionamento dei pannelli solari

Immaginiamo di disporre di una lastra di semiconduttore, tra i capi della quale sia stata generata una differenza di potenziale (vediamo tra poco come). Se riuscissimo a liberare un po' di elettroni potremmo generare una corrente elettrica semplicemente chiudendo il circuito, ad esempio con un nastro di rame. Per riuscirci però è necessario innanzitutto che qualcosa fornisca energia agli atomi di silicio. Nel caso dei pannelli solari quest'energia è offerta dalla luce del Sole.

Come abbiamo già visto in uno dei primissimi articoli del blog, la luce è infatti composta da "pacchetti" di energia, chiamati fotoni. Ciascuno di questi pacchetti può essere assorbito da un elettrone e, se il fotone è abbastanza energetico, può riuscire a scalzarlo dal suo nucleo atomico (si tratta dell'effetto fotoelettrico, la cui scoperta valse ad Einstein il premio Nobel). In definitiva, non appena la luce solare impatta sulla superficie di un semiconduttore, degli elettroni vengono resi liberi di vagare su di essa.

Un pannello solare è costituito da un gran numero di "tasselli" di semiconduttore, chiamati celle, all'interno dei quali vengono costantemente liberati elettroni. Questo però non è sufficiente a generare una corrente elettrica. Per arrivare a risparmiare sulla bolletta è necessario che tra i capi di ciascuna cella sia creata una differenza di potenziale. Dare vita a questa tensione elettrica è tutt'altro che banale.


Il drogaggio delle celle fotovoltaiche
Schema di un reticolo cristallino di Silicio drogato con Boro e Fosforo

La differenza di potenziale nei pannelli solari è generata a partire dal drogaggio del semiconduttore. Si tratta di una procedura con diverse applicazioni nella fisica dei semiconduttori, che consiste nell'inserire piccole quantità di un elemento chimico in una sostanza uniforme al fine di variarne le caratteristiche elettriche.

All'interno dei pannelli solari, ciascuna cella viene drogata con due elementi diversi. Più precisamente, possiamo immaginare di dividere ciascuna cella in due metà uguali, ciascuna delle quali viene collegata al nastro di materiale conduttore che chiude il circuito. La metà sinistra (ad esempio) viene disseminata di atomi di un elemento del terzo gruppo della Tavola Periodica (come il Boro), mentre nella metà destra vengono inseriti atomi di un elemento del quinto gruppo (generalmente Fosforo). La particolarità di queste due classi di elementi sta nel tipo di legami chimici che formano con gli atomi del semiconduttore (silicio, nella maggior parte dei casi). I legami che si formano tra silicio e boro portano a un leggerissimo eccesso di carica positiva. Viceversa, quando il silicio si lega col fosforo, si viene a creare una debolissima carica negativa.

Ora, nel momento in cui la luce solare libera un elettrone all'interno del pannello solare, vengono rese libere di circolare due cariche elettriche. La prima - ovviamente negativa - è lo stesso elettrone, la seconda - positiva - è invece costituita dell'atomo che è stato privato di un elettrone, e prende il nome di lacuna. Ma torniamo al drogaggio...


Per quanto debole, la carica elettrica residua prodotta dai legami del silicio con boro e fosforo è sufficiente ad accelerare le lacune verso la metà elettricamente negativa della cella e gli elettroni verso la metà positiva. Viene quindi a formarsi un eccesso di lacune - cariche positivamente - nella metà destra di ciascuna cella e di elettroni - negativi - nella metà sinistra. L'effetto è proprio quello che volevamo: un campo elettrico che permea l'intera cella e accelera gli elettroni che vengono liberati dalla luce solare. A livello pratico si viene quindi a formare una corrente elettrica.

Conclusioni

Il pianeta che ci ospita è dilaniato dall'uso sconsiderato che abbiamo fatto delle sue risorse. I pannelli solari rappresentano la più probabile via di salvezza da questa situazione: un impiego massiccio di questa tecnologia renderebbe superfluo bruciare ogni giorno grandi quantità di combustibili fossili per produrre l'elettricità di cui abbiamo bisogno. Tuttavia, ben presto potrebbero circolare delle voci che mettono in cattiva luce questa tecnologia - come è accaduto per il Forno a Microonde ad esempio. Ecco perché è importante comprendere (e far comprendere) fin da ora il funzionamento delle celle fotovoltaiche, in modo da agevolare la loro diffusione. 

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Immagini tratte da:
http://www.nuovopolofieramilano.it/energia-solare-come-scegliere-i-modelli-migliori/
https://it.wikipedia.org/wiki/Semiconduttore
http://www.ing.unitn.it/~colombo/Celle%20fotovoltaiche/Relazione%20simona11.htm

2 commenti:

  1. Ciao
    Grazie articolo chiarissimo! E condivido anche quel che dici: Capire e diffondere la comprensione di ciò che ci circonda é e sarà fondamentale per scegliere per il meglio, (anche per il fotovoltaico) ;-).
    Grazie quindi, condividerò.
    E grazie per gli altri articoli del tuo blog,veramente alla portata anche dei non fisici ��. Bello!

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    1. Ciao ali, grazie a te per il commento! Sono contento che gli articoli ti piacciano ;-)

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