Le celle solari dipendono da un fenomeno noto come effetto fotovoltaico, scoperto dal fisico francese Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891). È correlato all'effetto fotoelettrico, un fenomeno mediante il quale gli elettroni vengono espulsi da un materiale conduttore quando la luce lo colpisce. Albert Einstein (1879-1955) vinse il Premio Nobel per la fisica nel 1921 per la sua spiegazione di quel fenomeno, utilizzando principi quantistici all'epoca nuovi. A differenza dell'effetto fotoelettrico, l'effetto fotovoltaico avviene al confine di due piastre semiconduttrici, non su un'unica piastra conduttiva. Nessun elettrone viene effettivamente espulso quando la luce brilla. Invece, si accumulano lungo il confine per creare una tensione. Quando colleghi le due piastre con un filo conduttore, una corrente scorrerà nel filo.
Il grande risultato di Einstein, e il motivo per cui vinse il Premio Nobel, fu riconoscere che l'energia degli elettroni espulsi da un piastra fotoelettrica dipendeva - non dall'intensità della luce (ampiezza), come previsto dalla teoria delle onde - ma dalla frequenza, che è l'inverso di lunghezza d'onda. Più corta è la lunghezza d'onda della luce incidente, maggiore è la frequenza della luce e maggiore è l'energia posseduta dagli elettroni espulsi. Allo stesso modo, le celle fotovoltaiche sono sensibili alla lunghezza d'onda e rispondono meglio alla luce solare in alcune parti dello spettro rispetto ad altre. Per capire perché, aiuta a rivedere la spiegazione di Einstein dell'effetto fotoelettrico.
L'effetto della lunghezza d'onda dell'energia solare sull'energia degli elettroni
La spiegazione di Einstein dell'effetto fotoelettrico ha contribuito a stabilire il modello quantistico della luce. Ogni fascio di luce, chiamato fotone, ha un'energia caratteristica determinata dalla sua frequenza di vibrazione. L'energia (E) di un fotone è data dalla legge di Planck: E = hf, dove f è la frequenza e h è la costante di Planck (6,626 × 10−34 joule∙secondo). Nonostante il fatto che un fotone abbia una natura particellare, ha anche caratteristiche ondulatorie e, per ogni onda, la sua frequenza è il reciproco della sua lunghezza d'onda (che qui è indicata con w). Se la velocità della luce è c, allora f = c/w e la legge di Planck può essere scritta:
E=\frac{hc}{w}
Quando i fotoni incidono su un materiale conduttore, entrano in collisione con gli elettroni nei singoli atomi. Se i fotoni hanno energia sufficiente, eliminano gli elettroni nei gusci più esterni. Questi elettroni sono quindi liberi di circolare attraverso il materiale. A seconda dell'energia dei fotoni incidenti, possono essere espulsi del tutto dal materiale.
Secondo la legge di Planck, l'energia dei fotoni incidenti è inversamente proporzionale alla loro lunghezza d'onda. La radiazione a lunghezza d'onda corta occupa l'estremità viola dello spettro e include la radiazione ultravioletta e i raggi gamma. D'altra parte, la radiazione a lunga lunghezza d'onda occupa l'estremità rossa e include la radiazione infrarossa, le microonde e le onde radio.
La luce solare contiene un intero spettro di radiazioni, ma solo la luce con una lunghezza d'onda sufficientemente corta produrrà gli effetti fotoelettrici o fotovoltaici. Ciò significa che una parte dello spettro solare è utile per generare elettricità. Non importa quanto sia brillante o fioca la luce. Deve solo avere – come minimo – la lunghezza d'onda della cella solare. Le radiazioni ultraviolette ad alta energia possono penetrare nelle nuvole, il che significa che le celle solari dovrebbero funzionare nei giorni nuvolosi, e lo fanno.
Funzione di lavoro e gap di banda
Un fotone deve avere un valore energetico minimo per eccitare gli elettroni abbastanza da farli cadere dai loro orbitali e consentire loro di muoversi liberamente. In un materiale conduttore, questa energia minima è chiamata funzione lavoro, ed è diversa per ogni materiale conduttore. L'energia cinetica di un elettrone rilasciato dalla collisione con un fotone è uguale all'energia del fotone meno la funzione lavoro.
In una cella fotovoltaica, due diversi materiali semiconduttori vengono fusi per creare ciò che i fisici chiamano giunzione PN. In pratica, è comune utilizzare un unico materiale, come il silicio, e drogarlo con sostanze chimiche diverse per creare questa giunzione. Ad esempio, il drogaggio del silicio con l'antimonio crea un semiconduttore di tipo N e il drogaggio con il boro crea un semiconduttore di tipo P. Gli elettroni eliminati dalle loro orbite si raccolgono vicino alla giunzione PN e aumentano la tensione attraverso di essa. L'energia di soglia per far uscire un elettrone dalla sua orbita e nella banda di conduzione è nota come band gap. È simile alla funzione di lavoro.
Lunghezze d'onda minime e massime
Per sviluppare una tensione attraverso la giunzione PN di una cella solare. la radiazione incidente deve superare l'energia del band gap. Questo è diverso per materiali diversi. Sono 1,11 elettronvolt per il silicio, che è il materiale utilizzato più spesso per le celle solari. Un elettronvolt = 1,6 × 10-19 joule, quindi l'energia del gap di banda è 1,78 × 10-19 joule. Riorganizzando l'equazione di Plank e risolvendo per la lunghezza d'onda ti dice la lunghezza d'onda della luce che corrisponde a questa energia:
w=\frac{hc}{E}=1,110\text{ nanometri}=1,11\times 10^{-6}\text{ metri}
Le lunghezze d'onda della luce visibile si verificano tra 400 e 700 nm, quindi la lunghezza d'onda della larghezza di banda per le celle solari al silicio è nella gamma dell'infrarosso molto vicino. Qualsiasi radiazione con una lunghezza d'onda maggiore, come le microonde e le onde radio, non ha l'energia per produrre elettricità da una cella solare.
Qualsiasi fotone con un'energia maggiore di 1,11 eV può rimuovere un elettrone da un atomo di silicio e inviarlo nella banda di conduzione. In pratica, tuttavia, fotoni di lunghezza d'onda molto corta (con un'energia superiore a circa 3 eV) inviano gli elettroni fuori dalla banda di conduzione e li rendono indisponibili a svolgere il lavoro. La soglia di lunghezza d'onda superiore per ottenere lavoro utile dall'effetto fotoelettrico nei pannelli solari dipende sulla struttura della cella solare, i materiali utilizzati nella sua costruzione e il circuito caratteristiche.
Lunghezza d'onda dell'energia solare ed efficienza delle celle
In breve, le celle fotovoltaiche sono sensibili alla luce dell'intero spettro fintanto che la lunghezza d'onda è al di sopra della banda proibita del materiale utilizzato per la cella, ma viene sprecata luce di lunghezza d'onda estremamente corta. Questo è uno dei fattori che influenza l'efficienza delle celle solari. Un altro è lo spessore del materiale semiconduttore. Se i fotoni devono percorrere una lunga strada attraverso il materiale, perdono energia a causa delle collisioni con altre particelle e potrebbero non avere energia sufficiente per rimuovere un elettrone.
Un terzo fattore che influenza l'efficienza è la riflettività della cella solare. Una certa frazione di luce incidente rimbalza sulla superficie della cella senza incontrare un elettrone. Per ridurre le perdite dovute alla riflettività e aumentare l'efficienza, i produttori di celle solari solitamente rivestono le celle con un materiale non riflettente e che assorbe la luce. Questo è il motivo per cui le celle solari sono solitamente nere.