Una cella fotovoltaica trasforma la luce in elettricità senza parti in movimento, senza combustione, senza calore intermedio: è un effetto quantistico allo stato solido. Vale la pena capire i pochi passaggi che lo spiegano, perché sono la ragione per cui certe scelte di design — l'orientamento del tetto, l'ombreggiamento, la temperatura — contano quanto contano.
Cos'è il silicio drogato?
Il silicio puro è un cattivo conduttore: la sua banda di valenza (dove stanno gli elettroni legati agli atomi) e la sua banda di conduzione (dove gli elettroni sono liberi di muoversi) sono separate da un'energia — il band gap — che pochi elettroni riescono a superare da soli. Il «drogaggio» introduce nel reticolo atomi diversi in piccolissima quantità, per cambiare deliberatamente questo equilibrio: atomi di boro (trivalenti) creano un eccesso di «lacune» — silicio di tipo p; atomi di fosforo (pentavalenti) creano un eccesso di elettroni liberi — silicio di tipo n.
Cosa succede alla giunzione fra i due strati?
Una cella fotovoltaica è, in sostanza, uno strato n a contatto con uno strato p. Alla giunzione, gli elettroni in eccesso del lato n diffondono verso il lato p e si ricombinano localmente con le lacune, lasciando dietro di sé una sottile zona «svuotata» di cariche mobili ma carica di ioni fissi. Quella zona genera un campo elettrico interno permanente, orientato dal lato n verso il lato p — è questo campo, presente ancora prima che arrivi qualsiasi luce, a fare il lavoro decisivo un attimo dopo.
Cosa fa davvero un fotone quando colpisce la cella?
Se un fotone della luce solare porta energia sufficiente — superiore al band gap del silicio — può cedere quell'energia a un elettrone della banda di valenza, che salta nella banda di conduzione e diventa libero di muoversi. Nel punto in cui l'elettrone se n'è andato resta una «lacuna», cioè l'assenza locale di una carica negativa, che si comporta come se fosse essa stessa una carica positiva mobile. Si è formata una coppia elettrone-lacuna: è lo stesso principio che Becquerel osservò nel 1839, senza saperne il meccanismo, e che oggi si chiama effetto fotovoltaico.
Perché la corrente scorre in una sola direzione?
Perché il campo elettrico della giunzione, generato prima ancora che arrivasse la luce, separa la coppia elettrone-lacuna prima che i due si ricombinino: spinge l'elettrone verso lo strato n e la lacuna verso lo strato p. Ripetuto su miliardi di fotoni al secondo, questo crea un accumulo di carica ai due lati della cella — una differenza di potenziale. Collegando un circuito esterno fra i due contatti metallici, gli elettroni fluiscono dal lato n, attraverso il carico, fino al lato p: è corrente continua, generata finché la cella resta illuminata.
La corrente continua non è la forma in cui l'energia arriva a casa: l'inverter la converte in corrente alternata a valle della cella, un passaggio distinto da tutto ciò che è descritto qui.
Perché conta la qualità della luce, non solo la sua intensità?
Solo i fotoni con energia superiore al band gap del silicio generano una coppia elettrone-lacuna utilizzabile: quelli con energia inferiore attraversano la cella senza essere assorbiti, e l'energia in eccesso di quelli più energetici si disperde in calore invece che in elettricità. È uno dei motivi per cui l'efficienza di una cella di silicio a giunzione singola ha un limite fisico teorico intorno al 33,7% (limite di Shockley-Queisser): per andare oltre serve impilare materiali con band gap diversi, come fanno le celle tandem — un tema ripreso in storia del fotovoltaico.
Fonti: Wikipedia — Edmond Becquerel · PVEducation — Module Materials