L'effetto fotovoltaico è il fenomeno alla base del funzionamento della tecnologia solare fotovoltaico, in particolare delle celle solari, dette anche celle fotovoltaiche.
L'effetto fotovoltaico è un fenomeno strettamente correlato all'effetto fotoelettrico e si articola in tre fasi:
- Fase 1 - Assorbimento della radiazione luminosa da parte di un materiale semiconduttore e conseguente generazione di portatori di carica (elettroni e ioni positivi, questi ultimi sono detti anche lacune) grazie all'effetto fotoelettrico.
- Fase 2 - Separazione dei portatori di carica generati.
- Fase 3 - Raccolta dei portatori di carica agli elettrodi per generare una differenza di potenziale tra questi.
L'effetto fotovoltaico è stato scoperto nel 1839 dal fisico francese Edmond Becquerel. All'età di 19 anni, Becquerel creò la prima cella fotovoltaica illuminando elettrodi di platino, rivestiti con cloruro di argento, immersi in una soluzione acida.
Di seguito è riportato lo schema semplificato di una cella solare. In particolare, si tratta di una cella solare al silicio cristallino (c-Si).
La cella solare è un dispositivo elettronico a stato solido (semiconduttore) in grado di convertire la radiazione solare incidente su di esso in energia elettrica grazie all'effetto fotovoltaico.
Come si vede dallo schema, una cella solare al silicio cristallino è costituita da uno strato di silicio cristallino n-type (silicio cristallino drogato con atomi di fosforo), due strati di silicio cristallino p-type (silicio cristallino drogato con atomi di boro) e da elettrodi frontali e posteriori.
Nella prima fase dell'effetto fotovoltaico, i fotoni della radiazione solare incidente sulla cella solare vengono assorbiti dagli atomi del silicio p-type, e si generano, grazie all'effetto fotoelettrico, coppie lacuna-elettrone.
Una coppia lacuna-elettrone può sopravvivere solo per un certo lasso di tempo dopo il quale si verifica il fenomeno della ricombinazione: l'elettrone ritorna al precedente livello energetico e si unisce ad uno ione positivo dissipando nell'ambiente esterno l'energia acquisita dal fotone. Per creare energia elettrica, bisogna allora separare i portatori di carica: da una parte le lacune e dall'altra gli elettroni. E questo viene fatto nella seconda fase.
Quando i portatori di carica vengono generati nel silicio p-type essi si muovono all'interno della cella solare per effetto di vari processi come la diffusione, il moto casuale e il drift. Nelle zone di contatto tra il silicio p-type e gli strati adiacenti (silicio n-type, silicio p++-type) si creano delle zone, dette regioni di svuotamento, che si comportano come delle membrane semipermeabili.
In particolare, quella disposta a cavallo della giunzione tra lo strato di silicio p-type e quello di silicio n-type, in genere denominata giunzione p-n, consente il passaggio dei soli elettroni, mentre quella disposta tra lo strato di silicio p-type e quello di silicio p-type fortemente drogato (p++-type), in genere denominata giunzione p-p++, consente il passaggio delle sole lacune. Quindi, una volta generati, grazie alle regioni di svuotamento, i portatori di carica si separano, e così facendo si evita il fenomeno della ricombinazione.
Nella terza fase, i portatori di carica generati dai fotoni della radiazione solare incidente sulla cella solare, e separati dalle regioni di svuotamento, si raccolgono nello strato di silicio n-type (elettroni) e in quello di silicio p-type fortemente drogato (lacune).
Si generano, allora, una concentrazione di cariche negative nello strato di silicio n-type e una concentrazione di cariche positive nello strato di silicio p-type fortemente drogato, che danno luogo ad una differenza di potenziale tra gli elettrodi frontali e posteriori, denominata in genere tensione a circuito aperto (Voc). Se un circuito elettrico è applicato agli elettrodi, gli elettroni raccolti nello strato di silicio n-type fluiranno nello strato in cui sono raccolte le lacune, ricombinandosi con queste. Nel circuito elettrico circola, allora, una corrente elettrica, e questo significa che l'energia chimica delle coppie lacuna-elettrone si è trasformata in energia elettrica.
La cella solare, dunque, converte, grazie all'effetto fotovoltaico, l'energia della radiazione solare in energia chimica, e infine in energia elettrica.