effetto fotovoltaico: una storia d’amore nel mondo dell’energia

Romeo e Giulietta, Dante e Beatrice, Paolo e Francesca: non c’è nulla di più appassionante delle grandi storie d’amore della letteratura. Nel suo piccolo, anche il mondo dell’energia ha la sua coppia di amanti tormentati. L’ambientazione della loro storia è il tetto delle nostre case, perché stiamo parlando delle particelle che fanno funzionare i pannelli fotovoltaici, a loro volta attivati grazie all’effetto fotovoltaico. Mettetevi comodi e prendete i popcorn: stiamo per raccontarvi una grande storia.

L’ambientazione del racconto

Lo spazio dove si muovono i nostri protagonisti è la struttura molecolare del silicio. Questo elemento è il secondo per abbondanza nella crosta terrestre, superato solo dall’ossigeno. Quando fate una passeggiata in montagna e vi capita di vedere dei quarzi scintillanti sulle sponde dei ruscelli, state osservando il silicio in una delle sue forme cristalline più comuni. Questo materiale è un semiconduttore, ovvero è caratterizzato da una conducibilità elettrica intermedia tra quella degli isolanti e quella dei conduttori.

Affinché un materiale sia in grado di condurre, le cariche elettriche devono potersi muovere attraverso due zone dell’atomo chiamate bande, passando dalla banda di valenza a quella di conduzione. La distanza tra le due si chiama band gap. Nei materiali conduttori (come i metalli o gli stessi esseri umani) la distanza è nulla: le due bande si sovrappongono, quindi la conduzione elettrica è molto agevole (per questo motivo i cavi elettrici sono di metallo e noi prendiamo la scossa!). Nei materiali isolanti (come la plastica o la gomma), invece, il band gap è talmente grande da rendere quasi impossibile il passaggio di carica. I semiconduttori sono la via di mezzo: la distanza c’è, ma non è inarrivabile. Affinché gli elettroni compiano il salto basta infatti un piccolo input di energia, come la radiazione solare… Ma non corriamo troppo, torniamo alla struttura del silicio.

Un tocco di magia: il drogaggio del silicio

Per migliorare la conduzione del silicio è necessario modificarne la struttura tramite il processo del drogaggio, come fosse un incantesimo… Questo metodo consiste nel sostituire alcuni atomi nella struttura del silicio con degli altri, in particolare fosforo e boro. Il motivo va cercato nel numero di legami che ogni atomo fa con i suoi vicini.

Gli atomi di silicio creano sempre quattro legami perché mettono a disposizione quattro elettroni per legarsi. Se al posto di un atomo di silicio ne introduciamo uno di fosforo, che invece ne ha cinque, c’è un elettrone in più, che si ritrova spaiato. Questo elettrone solitario sarà libero di viaggiare per il reticolo molecolare, come uno scapolo ribelle. Se in una certa porzione della struttura facciamo molte sostituzioni di fosforo avremo tanti portatori di carica negativa liberi: abbiamo creato una zona chiamata di tipo n.

Se in un’altra zona ripetiamo lo stesso processo sostituendo non fosforo ma boro, che forma solo tre legami, ora gli elettroni sono in difetto. L’assenza di un elettrone è chiamata lacuna e si comporta come fosse una carica positiva libera. Abbiamo creato una zona opposta a quella precedente, dove i portatori di carica liberi presenti non sono a carica negativa ma positiva: una zona di tipo p.

La guerra incombe

Nel punto in cui le due zone si incontrano, chiamato giunzione p-n, avviene il preambolo della nostra storia. Gli elettroni della zona n vedono dall’altra parte della struttura la zona p povera di elettroni e si muovono per diffusione verso di essa, lanciandosi alla conquista di una terra inesplorata. La stessa cosa fanno le lacune, spostandosi in massa dalla zona p alla n. Tutto questo movimento crea un grande squilibrio di cariche.

Prima della traversata, le zone erano globalmente neutre perché le cariche dei portatori in eccesso erano bilanciate dai nuclei degli atomi: il fosforo non ha solo un elettrone in più, ma nel suo nucleo ha anche un protone in più rendendolo globalmente neutro e lo stesso vale al contrario per il boro. Dopo l’invasione le cariche non sono per nulla in equilibrio: la zona p ora ha un eccesso di cariche negative e la n di positive! Eccessi di carica portano naturalmente alla formazione di un campo elettrico. È orientato nella direzione opposta al moto di diffusione delle cariche. D’ora in poi nessuna carica potrà più passare per esplorare: le due fazioni hanno costruito l’equivalente di un muro. La guerra è iniziata.

Non c’è effetto fotovoltaico senza sole

Ignaro del trambusto appena successo, un fotone (la particella che costituisce la luce solare) va a colpire la struttura del silicio. Come abbiamo accennato prima, l’energia solare dà abbastanza energia all’elettrone per saltare dalla banda di valenza a quella di conduzione. L’elettrone si libera dalla prigionia della banda di valenza, ma la sua assenza lascia dietro di sé una lacuna, ossia una carica positiva. Elettrone e lacuna non possono stare per troppo tempo separati, perché legati da un’attrazione viscerale. Dopo poco tempo, l’elettrone tende a ritornare nella banda di valenza, per ricongiungersi con la sua amata lacuna rilasciando l’energia che il fotone gli ha prestato.

Non tutti gli elettroni sono però così fortunati. Se il fotone colpisce la struttura in silicio proprio lungo la giunzione p-n, il ricongiungimento degli amanti non è possibile. Questo perché appena elettrone e lacuna si separano, sentono la forza del campo elettrico precedentemente creato tirarli inesorabilmente in due direzioni opposte. L’elettrone si muoverà verso le cariche positive del campo elettrico, ossia verso la zona n, mentre la lacuna verso le cariche negative, ossia la zona p. L’odio tra le due zone ha innalzato un muro che impedisce loro di stare insieme.

E vissero per sempre felici e contenti?

L’elettrone non si dà per vinto: troverà un modo per tornare dalla sua amata lacuna, costi quel che costi. Quando tutte le speranze sembrano perdute, l’elettrone trova il mezzo perfetto per elaborare la sua fuga: un cavo! Nel momento in cui colleghiamo i pannelli fotovoltaici alla rete stiamo chiudendo il circuito elettrico e siamo pronti per dare inizio all’effetto fotovoltaico. Tutti gli elementi del sistema elettrico, come generatori e carichi, sono collegati tramite un percorso chiuso che permette alla corrente di scorrere. Leggi l’articolo “Da dove arrivano i 60W della mia lampadina?” per saperne di più. Il moto di elettroni in un cavo conduttore è per definizione una corrente elettrica. Ecco, dunque, che abbiamo convertito l’energia della radiazione solare in energia elettrica, pronta per essere utilizzata in mille modi. Tutto questo procedimento è l’effetto fotovoltaico, da cui i pannelli fotovoltaici prendono il nome.

Ma che fine ha fatto il nostro protagonista, lo spasimante elettrone? Ha compiuto un salto nel vuoto, intraprendendo un lungo viaggio attraverso il cavo. Non sa quanto durerà, ma sa che alla fine lo condurrà a casa. La nostra storia d’amore ha dunque un lieto fine. Le gesta dei nostri eroi sono ciò che permette la generazione di elettricità dai grazie all’effetto fotovoltaico. Se venissero raccontate dal poema di un cantore medievale, noi lo immaginiamo così:

Abbiamo stimolato la tua curiosità? Puoi saperne di più consultando le nostre fonti:

• Energy Education
• Lezioni di tecnologia
• Biblius-net