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Meccanica quantistica della conversione fotovoltaica
L’effetto fotovoltaico è fondamentalmente un fenomeno quantistico. Quando un fotone viene assorbito da un atomo di silicio, la sua energia deve superare la energia di gap di banda (Eg ≈ 1,1 eV per il silicio cristallino) per promuovere un elettrone dalla banda di valenza alla banda di conduzione. Questo processo crea una coppia elettrone-lacuna con una probabilità determinata dal coefficiente di assorbimento del materiale e dall’energia del fotone.

Le perdite di energia si verificano in molteplici fasi:

• Fotoni con E < Eg attraversano il materiale senza generare portatori di carica (perdite per trasmissione)
• Fotoni con E >> Eg generano portatori “caldi” che perdono rapidamente l’energia in eccesso come calore tramite termalizzazione
• Riflessione superficiale (senza rivestimento antiriflesso, circa il 30% della luce incidente viene perso)
• Ricombinazione (le coppie elettrone-lacuna si ricombinano prima di raggiungere i contatti, rilasciando energia sotto forma di calore o luce)

Il limite di Shockley-Queisser stabilisce l’efficienza massima teorica per una cella solare a singola giunzione a circa il 33% sotto spettro solare standard (AM1.5G). Le celle reali in silicio raggiungono il 15–22% a causa di ulteriori perdite dovute a resistenza, materiali imperfetti e proprietà di giunzione non ideali.

Efficienza, risposta spettrale e ottimizzazione dei materiali
L’efficienza di una cella solare dipende in modo critico da quanto bene il gap di banda del semiconduttore si adatti allo spettro solare. Il gap di banda di 1,1 eV del silicio è un compromesso: cattura efficacemente la luce visibile e il vicino infrarosso, ma non può sfruttare i fotoni infrarossi a bassa energia né sfruttare appieno i fotoni ultravioletti ad alta energia.

Strategie avanzate per superare il limite di Shockley-Queisser:

• Celle multigiunzione (tandem): Sovrappongono semiconduttori con diversi gap di banda (es. GaInP/GaAs/Ge) così che ogni strato assorba una specifica porzione dello spettro. Le efficienze in laboratorio superano il 47% sotto luce solare concentrata.
• Celle a perovskite: Materiali ibridi organico-inorganici con gap di banda modulabile, trasporto di carica rapido e fabbricazione processabile in soluzione. Le efficienze attuali si avvicinano al 26%, ma stabilità e scalabilità restano sfide aperte.
• Celle a portatori caldi (sperimentali): Recuperano energia dai portatori caldi prima della termalizzazione, potenzialmente superando il 66% di efficienza. Richiedono meccanismi di estrazione di carica ultraveloci non ancora