Concetti fondamentali

Vediamo quali sono i concetti fondamentali alla base del solare fotovoltaico.

Semiconduttore

In base alla capacità di condurre cariche elettriche, i materiali si dividono: conduttori, semiconduttori e isolanti. I semiconduttori sono materiali che possiedono una conducibilità elettrica che varia nell'intervallo [10^-8,10⁴] Ω^-1cm^-1, dunque inferiore a quella dei materiali conduttori ma superiore a quella dei materiali isolanti. Un esempio di materiale semiconduttore è il silicio. E la quasi totalità dei moduli fotovoltaici disponibili sul mercato globale sono realizzati con celle solari al silicio cristallino. La conducibilità elettrica di un materiale semiconduttore può essere aumentata mediante un processo denominato drogaggio o doping.

Portatori di carica

Un portatore di carica è una particella mobile dotata di carica elettrica. In un materiale semiconduttore, sono presenti due tipi di portatore di carica: l’elettrone, che trasporta carica negativa, e la lacuna, che trasporta carica positiva.

Si chiama lacuna la mancanza di un elettrone all'interno del reticolo cristallino di un solido semiconduttore. Essa si comporta come un portatore di carica positiva che presenta, in valore assoluto, la stessa carica dell'elettrone. Un osservatore esterno, concentrandosi sul movimento di una lacuna, vedrebbe una carica positiva che si sposta, ma ciò non è altro che il risultato dello spostamento di un elettrone nel senso inverso.

Figura 1. Spostamento di una lacuna

Drogaggio

Il drogaggio è un processo che consiste nel sostituire atomi del materiale semiconduttore, nel nostro caso silicio, con atomi del terzo gruppo o del quinto gruppo della tavola periodica.

Figura 2. Tavola periodica: gruppo 13-18, periodo 1-6

Quando atomi di silicio sono sostituiti con quelli del boro o di altri elementi del terzo gruppo, si dice che il silicio presenta un drogaggio di tipo p. La lettera “p” abbrevia il termine positivo e indica che con questo tipo di drogaggio aumenta la concentrazione delle cariche elettriche mobili positive, ovvero delle lacune. Quando, invece, gli atomi di silicio sono sostituiti con quelli del fosforo o di altri elementi del quinto gruppo, si dice che il silicio presenta un drogaggio di tipo n. La lettera “n” sta per negativo e indica che con questo tipo di drogaggio aumenta la concentrazione delle cariche elettriche mobili negative, ovvero degli elettroni. Il drogaggio, quindi, serve per aumentare la concentrazione di uno dei due tipi di portatore di carica e, così, la conducibilità elettrica del semiconduttore.

Figura 3. Struttura cristallina del silicio a 0 K

Quando, allora, il silicio presenta un drogaggio di tipo p, significa che questo materiale presenta dei portatori di carica extra con carica positiva (lacune); mentre quando il silicio presenta un drogaggio di tipo n, esso presenta dei portatori di carica extra con carica negativa (elettroni).

Figura 4. Struttura cristallina del silicio ad una temperatura maggiore di 0 K

Trasporto

In un semiconduttore, esistono due tipologie di trasporto dei portatori di carica: drift e diffusione. Si parla di drift quando lo spostamento dei portatori di carica è causato dall'azione di un campo elettrico. Si parla, invece, di diffusione quando lo spostamento dei portatori di carica si basa sull’agitazione termica ed è guidata da una differenza di concentrazione di portatori di carica in diversi punti del materiale.

Generazione e ricombinazione

Due processi fondamentali dell'effetto fotovoltaico sono: la generazione e la ricombinazione.

Nella maggior parte dei semiconduttori, gli atomi sono tenuti insieme da legami covalenti. Il legame covalente si forma quando due atomi mettono in comune uno o più elettroni, detti elettroni di valenza. Attraverso diverse forme di eccitazione, come l'aumento di temperatura o l'irraggiamento, gli elettroni di valenza possono essere liberati dal legame covalente e muoversi liberamente nel semiconduttore, e questo fenomeno è detto generazione.

Figura 5. Schema della generazione

Quando un elettrone di valenza abbandona il legame covalente, lascia un posto libero (lacuna). La ricombinazione è il fenomeno opposto alla generazione, ovvero è il fenomeno che vede gli elettroni liberi di muoversi nel semiconduttore ritornare a formare legami covalenti tra due atomi del semiconduttore, ovvero occupare una lacuna.

Figura 6. Schema della ricombinazione