Lo sfruttamento dell’energia solare rappresenta uno delle grandi sfide del XXI secolo. Il suo sviluppo – oggi solo lo 0.1% dell’energia prodotta dall’uomo è di origine solare – permettera’, insieme allo sfruttamento energetico delle altre fonti rinnovabili, da un lato di produrre energia a costo ridotto e dall’altro di affrancarsi da centrali inquinanti come quelle a carbone o pericolose  come quelle nucleari.

Nei paesi in cui si sono adottate delle politiche di sostegno allo sviluppo dell’energia solare si sono già ottenuti risultati interessanti; in Italia e Germania ad esempio più del 3% dell’energia consumata in un anno è di origine solare.

Parte dell’energia che il sole quotidianamente riversa sulla terra può essere sfruttata dall’uomo trasformandola direttamente in energia elettrica. Per fare questo vengono utilizzati dei dispositivi elettronici chiamati celle solari.  Le celle solari  producono energia grazie ad un fenomeno fisico molto importante chiamato processo fotovoltaico.

Il processo fotovoltaico consiste nell’assorbimento di un fotone da parte di un materiale semiconduttore a seguito del quale viene prodotta energia elettrica ( ad esempio sotto forma di corrente elettrica, cioè la produzione di un flusso di elettroni). Ma cosa significa che “un fotone viene assorbito”? E come può l’assorbimento di un fotone produrre un flusso di elettroni e dunque energia elettrica?

Per capirlo come al solito dobbiamo fare un passo indietro e cercare, come prima cosa, di immaginare come si comportano gli elettroni all’interno di un solido.

Ad ogni elettrone di un solido è permesso trovarsi solo in determinati stati. Lo stato di un elettrone è descritto da un insieme di proprietà (ad esempio posizione, velocità, energia). Poiché ciascuno stato è caratterizzato da una certa energia l’elettrone è obbligato a restare in un determinato stato finché non riceve “una certa quantità di energia” e solo allora  può balzare allo stato corrispondente al livello energetico superiore lasciando il suo posto libero. La quantità di energia necessaria all’elettrone per salire al livello successivo non è casuale, ma è ben determinata! L’esempio seguente rende bene l’idea…

Immaginiamo un parcheggio a due piani(*), il primo piano pieno di auto, il secondo vuoto. Se diamo abbastanza energia (benzina) ad una delle auto, questa può salire di livello e andare a parcheggiare al secondo piano, lasciando un ‘buco’ al primo. Possono esistere molti piani, ma un’auto può parcheggiare solo in uno di essi (certamente non sulle rampe, è vietato). Allo stesso modo un elettrone può assorbire solo certe quantità di energia che lo portano ad uno dei livelli più alti, lasciando un buco, anzi una buca, nel linguaggio tecnico della fisica degli elettroni, nel livello energetico inferiore. Un primo cruciale passo del processo fotovoltaico è proprio questo: la luce dà sufficiente energia agli elettroni per “saltare” da un livello energetico basso, ad uno più alto, diciamo che è l’ascensore degli elettroni.

Va bene, ma una volta assorbita l’energia dei fotoni, nelle celle fotovoltaiche, come si genera l’energia elettrica? Cosa è che produce il flusso di elettroni?

A questo proposito la cosa interessante è che, proprio come per le automobili, essendo il livello più alto praticamente vuoto, una volta assorbita l’energia dalla luce, per gli elettroni è molto più facile muoversi. Ma che direzione prendere?

Torniamo quindi al nostro parcheggio a due piani. Immaginiamo che per qualche motivo il piano alto sia leggermente in discesa, diciamo verso destra. Allora, una volta che un auto si trova nel piano alto, senza bisogno di benzina, comincerà a scivolare verso destra, insieme a tutte le altre auto che si trovano lì. Allo stesso modo le celle solari sono costruite in modo tale da avere in una direzione una ‘strada in discesa’ per gli elettroni, e la discesa è ottenuta perché da una parte del semiconduttore si trovano delle cariche elettriche positive che quindi attraggono gli elettroni.

Perfetto! Allora quando tutto va bene, abbiamo capito che la luce viene assorbita, alcuni elettroni saltano di livello e poi, attratti dalla presenza di cariche positive, cominciano a fluire tutti in una particolare direzione.

metafora del parcheggio per spiegare la cella solare

D’altro canto, anche se sembra meno intuitivo, anche le buche contribuiscono alla corrente elettrica. Come? Quando una buca viene creata, gli elettroni tendono ad occuparne il posto, facendo cosi muovere la buca in direzione opposta al flusso di elettroni, esattamente come per il posto auto vuoto in basso della Figura, che tende a spostarsi verso sinistra. Quindi,  sembra semplicissimo ricavare corrente elettrica dal un po’ di luce!

Ma che cosa può andare storto? Uno dei problemi principali nel funzionamento delle celle solari è dato dai cosiddetti fenomeni di ricombinazione. Quello che può accadere è che gli elettroni scendono di  nuovo al livello di energia precedente, occupando il posto che avevano precedentemente lasciato libero e dunque “colmando la buca”. In questo stato l’elettrone ha meno energia, quindi, in qualche modo, l’elettrone deve essersela persa durante il processo di ricombinazione. In effetti, l’energia  può essere liberata sotto forma di calore (ecco perché un oggetto posto al sole scotta), o di luce (ecco perché se illumini un oggetto, lo vedi). In pratica è come se invece di prendere la discesa, l’auto salita al piano superiore tornasse nell’ascensore e scendesse di nuovo giù. Questa è una delle grandi difficoltà tecniche legate al  fotovoltaico. E quali sono i fattori che favoriscono i fenomeni di ricombinazione? Il piu’ importante è la presenza di difetti nel solido che creano canali preferenziali di ricombinazione (come se fossero degli ascensori privati). Ci sono tanti modi con cui si cerca di ridurre al minimo l’incidenza di questi fenomeni e aumentare al massimo le prestazioni delle celle solari. Per saperne di più su tali problemi e relative soluzioni, leggete i prossimi articoli, dedicati ai meccanismi e ai materiali impiegati nel fotovoltaico. Non perdete, inoltre, l’intervista in cui gli esperti ci spiegano perchè e come il solare, con le altre fonti rinnovabili, potrà contribuire in misura sempre maggiore al fabbisogno energetico globale!

 

(*) l’idea del parcheggio è tratta da “Solar cells: Operating principles, technology, and system applications” un libro scritto da M.A. Green nel 1982.