Ultima modifica il Maggio 2, 2024 da Gruppo Energie Rinnovabili

L’effetto fotovoltaico ha rivoluzionato il modo in cui concepiamo e sfruttiamo l’energia. Ma cosa si intende esattamente per effetto fotovoltaico e come ha cambiato il panorama energetico mondiale?

Cosa si intende per effetto fotovoltaico?

L’effetto fotovoltaico è il fenomeno attraverso il quale la luce solare viene convertita direttamente in energia elettrica. Questo processo avviene attraverso materiali semiconduttori, come il silicio, che generano una corrente elettrica quando esposti alla luce solare. Questo significa che, grazie all’effetto fotovoltaico, è possibile trasformare la luce del sole in elettricità utilizzabile per alimentare le nostre case, le aziende e persino le reti elettriche.

Cos’è l’effetto fotovoltaico?

L’effetto fotovoltaico è il fenomeno fisico alla base del funzionamento dei pannelli solari. Si tratta di un processo in cui l‘energia proveniente dalla luce solare viene assorbita da un materiale semiconduttore, come il silicio, e convertita in energia elettrica.

Per comprendere meglio questo fenomeno, è necessario approfondire la struttura atomica del materiale semiconduttore.

Gli atomi di silicio, ad esempio, possiedono quattro elettroni di valenza, ovvero elettroni liberi di muoversi all’interno del reticolo cristallino. Quando un fotone, una particella di luce, colpisce il materiale, cede la sua energia a un elettrone di valenza, liberandolo dal suo atomo. Questo elettrone libero, chiamato elettrone fotogenerato, può muoversi all’interno del semiconduttore generando una corrente elettrica.

Tuttavia, per generare un flusso di corrente elettrica continuo, è necessario creare un campo elettrico all’interno del semiconduttore. Questo viene realizzato attraverso un processo chiamato drogaggio, in cui vengono introdotte nel materiale piccole quantità di impurezze, creando una zona con eccesso di elettroni (tipo n) e una zona con carenza di elettroni (tipo p). La giunzione tra queste due zone, chiamata giunzione p-n, rappresenta il cuore del pannello solare.

Quando la luce solare colpisce il pannello, gli elettroni fotogenerati nella zona n si muovono verso la zona p, creando un flusso di corrente elettrica. Questo flusso di corrente viene raccolto da elettrodi metallici presenti sulla superficie del pannello e convogliato verso un inverter, che converte la corrente continua (CC) generata dal pannello in corrente alternata (CA), compatibile con le nostre abitazioni e con la rete elettrica.

L’efficienza dell’effetto fotovoltaico, ovvero la capacità di convertire l’energia solare in energia elettrica, dipende da diversi fattori,tra cui:

• il tipo di materiale semiconduttore utilizzato
• la purezza del materiale
• il processo di fabbricazione del pannello.

Quindi, l’effetto fotovoltaico rappresenta un fenomeno fisico fondamentale per la produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili. Grazie alla sua semplicità e alla sua efficienza, il fotovoltaico si è affermato come una tecnologia chiave per la lotta ai cambiamenti climatici e per la costruzione di un futuro energetico più sostenibile.

Differenza tra effetto fotoelettrico ed effetto fotovoltaico

Fotoelettrico e fotovoltaico sono due effetti chiave per la produzione di energia elettrica a partire dai raggi solari. Si tratta di due reazioni fisiche molto simili, ma esistono delle differenze tra i due effetti.

Per definizione, l’effetto fotoelettrico è un fenomeno fisico che consiste nell’emissione di cariche negative da parte di una superficie, solitamente metallica, quando questa viene colpita da una radiazione luminosa ed elettromagnetica.

Si distingue tra:

• effetto fotoelettrico esterno (o di superficie), quando gli elettroni di conduzione di una sostanza solida e conduttrice, assorbendo l’energia di una radiazione incidente, sono emessi come elettroni liberi nello spazio;
• effetto fotoelettrico interno, quando si ha la produzione di fotoelettroni internamente alla sostanza illuminata;
• effetto fotoelettrico inverso, quando un corpo investito da elettroni sufficientemente veloci emette, a sua volta, una radiazione elettromagnetica, cioè fotoni.

L’effetto fotovoltaico non è altro che un effetto fotoelettrico interno, in cui le cariche elettriche che vengono liberate rimangono all’interno del materiale e possono contribuire alla conduzione.

Più specificamente l’effetto fotovoltaico si differenzia dall’effetto fotoelettrico per:

• luogo in cui avviene il processo: un effetto fotovoltaico avviene tramite la congiunzione di due metalli in una soluzione; quello fotoelettrico si verifica in un tubo a raggi catodici, con la partecipazione di un catodo e di un anodo collegati grazie a un circuito esterno;
• luogo di emissioni degli elettroni: nel fotovoltaico gli elettroni entrano in un altro materiale; mentre nel fotoelettrico vengono emessi in uno spazio vuoto;
• energia cinetica degli elettroni: per produrre l’effetto fotovoltaico tale parametro è essenziale; nel fotoelettrico svolge un ruolo secondario.

La scoperta dell’effetto fotovoltaico: un viaggio attraverso la storia

La storia dell’effetto fotovoltaico affonda le sue radici nel XIX secolo, con i primi esperimenti condotti da scienziati pionieri come Edmond Becquerel. Nel 1839, Becquerel osservò che esponendo due elettrodi di platino a una soluzione conduttrice e alla luce solare, si generava una piccola corrente elettrica. Questo fenomeno, da lui denominato “effetto fotoelettrico”, rappresentava la prima evidenza sperimentale dell’effetto fotovoltaico.

Tuttavia, la vera comprensione del meccanismo sottostante all’effetto fotovoltaico arrivò solo decenni più tardi. Nel 1905, Albert Einstein, con la sua celebre teoria dell’effetto fotoelettrico, spiegò come la luce potesse liberare elettroni dai metalli. Questo lavoro aprì la strada a nuove ricerche e innovazioni nel campo della fisica e dell’ingegneria.

Negli anni successivi, diversi scienziati contribuirono alla sviluppo della tecnologia fotovoltaica. Nel 1954, Gerald Pearson, Daryl Chapin e Calvin Souther Fuller dei Bell Laboratories presentarono la prima cella solare in silicio, capace di convertire l’energia solare in energia elettrica con un’efficienza del 6%. Questa invenzione rivoluzionaria segnò l’inizio dell’era moderna del fotovoltaico.

Da allora, la tecnologia fotovoltaica ha conosciuto un rapido sviluppo, con miglioramenti significativi nell’efficienza, nella stabilità e nel costo dei pannelli solari. Oggi, il fotovoltaico rappresenta una delle tecnologie più promettenti per la produzione di energia rinnovabile e per la costruzione di un futuro energetico più sostenibile.

Oltre ai nomi già menzionati, vale la pena ricordare altri scienziati che hanno dato un contributo significativo alla scoperta e allo sviluppo dell’effetto fotovoltaico:

• Heinrich Hertz: Nel 1887, Hertz scoprì l’effetto fotoelettrico esterno, dimostrando che la luce poteva espellere elettroni da alcuni metalli.
• Julius Spring: Nel 1888, Spring osservò che l’esposizione alla luce solare aumentava la conducibilità elettrica di alcuni materiali semiconduttori.
• Pierre Curie e Marie Curie: Nel 1898, i coniugi Curie scoprirono la radioattività, fenomeno strettamente legato all’effetto fotoelettrico.
• Robert Williams Wood: Nel 1913, Wood dimostrò che l’effetto fotoelettrico dipendeva dalla frequenza della luce.

La scoperta e lo sviluppo dell’effetto fotovoltaico rappresentano una storia affascinante di collaborazione scientifica e innovazione tecnologica. Grazie al lavoro di numerosi scienziati e ingegneri, questa tecnologia ha il potenziale per rivoluzionare il modo in cui produciamo e consumiamo energia, contribuendo a un futuro più pulito e sostenibile per il nostro pianeta.

Come funziona oggi il fotovoltaico?

Oggi, il fotovoltaico è diventato una delle fonti di energia rinnovabile più diffuse e competitive. I pannelli solari fotovoltaici sono composti da celle solari, generalmente realizzate in silicio cristallino, che catturano la luce solare e la trasformano in elettricità. Quando i fotoni della luce solare colpiscono le celle solari, eccitano gli elettroni presenti nel materiale semiconduttore, generando così una corrente elettrica. Questa corrente può poi essere utilizzata direttamente o immagazzinata in batterie per l’uso futuro.

Il funzionamento dei sistemi fotovoltaici non si limita solo alla produzione di elettricità. Grazie all’uso di inverter, l’energia elettrica prodotta dai pannelli solari può essere convertita in una forma compatibile con la rete elettrica nazionale, consentendo agli utenti di vendere l’energia in eccesso o di utilizzarla quando il sole non è disponibile.

Che cos’è la conversione fotovoltaica?

La conversione fotovoltaica è il processo chiave che consente ai pannelli solari di trasformare la luce solare in energia elettrica. Questo processo avviene all’interno delle celle solari, dove la luce solare viene assorbita e gli elettroni sono eccitati, generando una corrente elettrica. È importante notare che la conversione fotovoltaica è un processo completamente pulito e privo di emissioni nocive, rendendo l’energia solare una delle fonti energetiche più sostenibili ed ecologiche disponibili.

Effetto fotovoltaico: una rivoluzione energetica

L’effetto fotovoltaico rappresenta una pietra miliare nell’evoluzione del settore energetico. Grazie a questa tecnologia, siamo in grado di sfruttare in modo efficiente e sostenibile la luce solare per soddisfare una parte significativa dei nostri bisogni energetici. Con continue innovazioni e investimenti nel settore fotovoltaico, il futuro dell’energia solare appare sempre più luminoso.