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L'evoluzione delle celle solari: perché le prime efficienze erano così basse?
Prima di addentrarci nello sviluppo delle celle solari, dobbiamo comprendere il concetto di base dell'effetto fotovoltaico. L'effetto fotovoltaico si riferisce al fenomeno per cui i materiali generano tensione e corrente quando esposti alla luce. Questo processo fisico è strettamente correlato all'effetto fotoelettrico. Sebbene entrambi implichino l'eccitazione degli elettroni, l'effetto fotovoltaico si riferisce specificamente a ciò che accade quando gli elettroni rimangono all'interno di un materiale, mentre l'effetto fotoelettrico si riferisce a ciò che accade quando gli elettroni vengono espulsi da un materiale. Con il progresso della tecnologia solare, possiamo acquisire una certa prospettiva storica per comprendere perché le prime celle solari fossero così inefficienti.
Più di un secolo fa, nel 1839, Edmond Becquerel dimostrò per la prima volta l'effetto fotovoltaico, dimostrando che piastre metalliche immerse in soluzioni acide o alcaline potevano generare una corrente elettrica in condizioni di illuminazione non uniforme.
I primi esperimenti con le celle solari risalgono al 1884, quando Charles Fritts sperimentò le celle fotovoltaiche al selenio, che furono pioniere del settore nonostante la loro bassissima efficienza. Oggi, tuttavia, i dispositivi allo stato solido come i fotodiodi sono diventati una tecnologia diffusa e hanno migliorato l'efficienza della conversione dell'energia luminosa.
In un fotodiodo, quando la luce solare o un'altra luce con energia sufficiente colpisce il materiale, gli elettroni nella banda di valenza assorbono energia e vengono eccitati nella banda di conduzione, liberandosi. Questi elettroni eccitati si muoveranno in direzioni diverse, spinti dal campo elettrico incorporato, formando così una corrente elettrica. Questo processo non dipende solo dalla struttura del materiale, ma è influenzato anche dalle condizioni ambientali.
Questo effetto fotovoltaico sfrutta la struttura p-n costruita dai materiali semiconduttori. Quando la luce colpisce questa struttura, la corrente generata punta nella direzione opposta alla luce, formando un'uscita di corrente effettiva.
Principi fisici ed effetti termici
Oltre all'eccitazione fotovoltaica, in natura esiste anche l'effetto Seebeck. Quando un materiale conduttivo o semiconduttivo viene riscaldato assorbendo radiazioni elettromagnetiche, si verifica un gradiente di temperatura, che a sua volta genera tensione e corrente. Questo fenomeno è strettamente correlato all'efficienza delle celle solari perché influenza i livelli di energia degli elettroni e le concentrazioni dei portatori al loro interno.
La ricerca ha dimostrato che esiste una significativa relazione inversa tra la tensione a circuito aperto e la temperatura, il che significa che all'aumentare della temperatura, la tensione a circuito aperto diminuisce, mentre la corrente di cortocircuito è proporzionale alla temperatura, ma non può essere completamente compensare la tensione a circuito aperto. Di conseguenza, la potenza massima in uscita diminuisce con l'aumentare della temperatura.
L'evoluzione delle celle solari
Con l'evoluzione della tecnologia, aumentano anche le tipologie e l'efficienza delle celle solari. Ad esempio, la semplice struttura della giunzione p-n è stata sostituita da molti nuovi materiali e design, che possono migliorare l'efficienza di conversione in varie condizioni e aumentare la stabilità e l'affidabilità del sistema.
Nel 2017, i ricercatori del Georgia Institute of Technology hanno dimostrato per la prima volta l'effetto fotovoltaico a corrente alternata (AC PV), una tecnica per generare corrente alternata in uno stato di non equilibrio, mostrando una nuova svolta nello sviluppo delle celle solari. . .
Sfide e opportunità future
Nonostante i notevoli progressi nella tecnologia solare, permangono delle sfide nel raggiungere un'adozione globale e nell'aumentare l'efficienza delle celle. I fattori ambientali, la scelta dei materiali e i costi di produzione sono tutti fattori chiave che incidono sulla diffusione delle celle solari. Con l'aumento della domanda di energia rinnovabile, ricercatori e ingegneri stanno lavorando per sviluppare nuovi materiali e tecnologie per migliorare ulteriormente l'efficienza di conversione e ridurre i costi.
Sebbene stiano emergendo vari nuovi materiali per l'energia solare, come i materiali fotovoltaici organici e le celle solari multi-giunzione, è ancora necessario superare problemi quali stabilità e costi per raggiungere l'ideale applicazione commerciale.
Con il progresso della tecnologia, forse potremo trovare una soluzione migliore al problema iniziale della bassa efficienza delle celle solari. Con l'attenzione dei consumatori verso l'energia pulita e la promozione delle politiche, come evolveranno le celle solari in futuro?
