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Fisica della Conversione dell’Energia Solare

Luce, assorbimento ed energia dei fotoni
La conversione dell’energia solare inizia quando i fotoni della luce solare colpiscono la superficie di una cella fotovoltaica. La luce solare è una miscela di onde elettromagnetiche che coprono lunghezze d’onda ultraviolette, visibili e infrarosse. Ogni fotone trasporta un pacchetto discreto di energia determinato dalla sua lunghezza d’onda: le lunghezze d’onda più corte (luce blu) trasportano più energia rispetto a quelle più lunghe (luce rossa).

^{Figura 2. Irradianza spettrale solare (spettri di riferimento ASTM G173-03) che mostra la distribuzione dell’energia dei fotoni sulle diverse lunghezze d’onda. Le celle solari in silicio con un bandgap di ~1,1 eV (corrispondente a una lunghezza d’onda di ~1100 nm) possono convertire solo i fotoni visibili e del vicino infrarosso. (Fonte: NREL)}

Quando un fotone entra in un materiale semiconduttore come il silicio, può essere assorbito, riflesso o trasmesso.

L’assorbimento è fondamentale: se l’energia del fotone è uguale o superiore all’energia del bandgap del materiale (l’energia minima richiesta per liberare un elettrone dal suo legame atomico), l’elettrone viene promosso dalla banda di valenza alla banda di conduzione.

^{Figura 3. Confronto delle strutture a bande di energia in metalli, semiconduttori e isolanti. Nei semiconduttori come il silicio, il band gap (Eg ≈ 1,1 eV) è abbastanza piccolo da permettere ai fotoni di eccitare gli elettroni dalla banda di valenza (rossa) alla banda di conduzione (blu), consentendo la conversione fotovoltaica dell’energia. (Fonte: Wikimedia Commons, Pubblico Dominio)}

Questo crea una coppia elettrone-lacuna: una carica negativa mobile (elettrone) e una corrispondente vacanza positiva (lacuna).