Cos'è l'effetto fotovoltaico e come funziona?

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Ecco una semplice spiegazione di come funziona l'effetto fotovoltaico alla base della produzione di energia elettrica dei pannelli

L’effetto fotovoltaico è il fenomeno fisico che permette la produzione di energia elettrica a partire da sole. Scopri che cos’è e come avviene tale processo e quali sono gli aspetti che lo differenziano da quello fotoelettrico.


Per produrre energia elettrica a partire dai raggi solari si sfrutta l’effetto fotovoltaico. Si parla del processo alla base del funzionamento di ogni pannello e impianto fotovoltaico e quello grazie al quale oggi è possibile sfruttare una fonte sostenibile per alimentare un’abitazione o una fabbrica. Si spiegano di seguito tutte le caratteristiche di questo fenomeno fisico e qual è il processo che porta alla produzione finale di elettricità.

Effetto fotovoltaico: che cos’è?

L’effetto fotovoltaico è il fenomeno fisico alla base del funzionamento di un impianto di produzione di energia con pannelli solari. Si tratta del procedimento che consente la conversione diretta delle radiazioni solari in energia elettrica. Da un punto di vista scientifico, l’effetto fotovoltaico è una sottocategoria di quello fotoelettrico, teorizzato da Albert Einstein nel 1905 e grazie al quale ha vinto il Premio Nobel.

In fisica l’effetto fotovoltaico consiste nello spostamento di un elettrone dalla banda di valenza di un materiale alla banda di conduzione. Alla base di tale trasferimento c’è l’assorbimento di un fotone sufficientemente energetico che incide sul materiale stesso. Oggi tale effetto è molto noto perché consente la produzione di energia solare a partire dai pannelli e dagli impianti fotovoltaici e, quindi, permette di raggiungere una parziale indipendenza energetica sfruttando una fonte sostenibile.

Il primo a individuare l’effetto fotovoltaico fu lo studioso francese Alexandre-Edmond Becquerel nel 1839: ha evidenziato la capacità di alcuni materiali di trasformare la luce e, in particolare, le radiazioni elettromagnetiche incidenti su un materiale metallico in energia. Solo successivamente il fisico Einstein ha spiegato e teorizzato tale effetto definendolo come tutti oggi lo conoscono: effetto fotovoltaico.

Effetto fotovoltaico: come funziona?

L’effetto fotovoltaico si concretizza attraverso l’utilizzo dei pannelli fotovoltaici. Tali elementi presentano delle celle di silicio - materiale semiconduttore – contaminato da due altre sostanze: da una parte si parla di sostanze trivalenti come il boro e l’alluminio e dall’altro di arsenico, fosforo e antimonio. Quindi, non si tratta di silicio puro, ma di questa particolare combinazione.

L’effetto fotovoltaico può essere spiegato distinguendo diverse fasi. Di seguito si indicano in ordine di effetto i momenti che si susseguono per produrre energia elettrica a partire dalla luce:

  1. il processo inizia quando un fotone con un determinato livello di energia viene assorbito da un materiale semiconduttore (silicio contaminato), dando origine a una coppia di cariche elettriche di segno opposto, quindi a un elettrone negativo e a una lacuna positiva;
  2. teoricamente la coppia di cariche può produrre elettricità, ma praticamente è necessario che ci sia una differenza di potenziale, che viene generata dalle piccole impurità presenti nel silicio. Le contaminazioni sono essenziali perché modificano le proprietà elettriche del materiale rendendolo idoneo a generare l’effetto;
  3. si creano due strati: lo strato N a carica negativa e lo strato P a carica positiva. Il punto in cui i due strati si toccano si definisce giunzione P-N ed è il punto in cui si forma il forte campo elettrico;
  4. le cariche positive e negative presenti del campo si separano quando la luce solare colpisce la cella e i fotoni bombardano le cariche. Non tutti i fotoni agiscono allo stesso modo, ma quelli idonei alla produzione di energia elettrica tramite le celle fotovoltaiche sono quelli che possiedono una precisa quantità di energia. Tale dato dipende dal tipo di pannello e cella utilizzato.

All’interno di ogni singola cella si produce una forza elettromotrice ai capi di giunzione P-N dell’ordine di circa 0,5-0,6. La potenza generale del pannello fotovoltaico dipende da come le singole celle sono collegate tra di loro e quindi da una struttura reticolare in serie o in parallelo.

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Differenza tra effetto fotoelettrico e fotovoltaico

Esistono delle differenze tra l’effetto fotovoltaico e quello fotoelettrico. Pur trattandosi di due reazioni fisiche molto simili, è importante individuare i tratti in cui i due fenomeni si discostano. Per definizione, l’effetto fotoelettrico è quel fenomeno che consiste nell’emissione da parte di un metallo di elettroni quando viene colpito da una radiazione luminosa ed elettromagnetica, avente una certa energia. Tale valore soglia di energia che la radiazione deve possedere viene definito “funzione di lavoro”. Si parla dell’energia minima per rimuovere l’elettrone dal suo guscio e produrre energia.

Considerando e mettendo a paragone il fenomeno fotoelettrico con quello fotovoltaico, si evidenziano le seguenti differenze:

  • 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 fotoelettrico gli elettroni vengono emessi in uno spazio vuoto, mentre nel fotovoltaico entrano in un altro materiale nel momento stesso in cui vengono emessi;
  • energia cinetica degli elettroni: perché avvenga il processo fotovoltaico tale parametro è essenziale mentre nel fotoelettrico riveste un ruolo secondario.

Si parla in ogni caso di due effetti chiave, affinché il processo di produzione di energia elettrica a partire dai raggi del sole possa avvenire.

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