La societàodierna si sta sviluppando rapidamente, ma le fonti energetiche tradizionalirappresentate dai combustibili fossili (come il carbone e il petrolio) stannodiventando sempre più difficili da soddisfare la crescente domanda di energia acausa dei lunghi cicli di rigenerazione, della diminuzione delle riserve edella qualità, ecc.
Pannelli solarifotovoltaici per la produzione di elettricità: ispirati alla fotosintesi dellepiante
Tutti sappiamoche l'energia disponibile per tutti gli esseri viventi sulla terra provienefondamentalmente dalla fotosintesi delle piante.
La fotosintesinelle piante è il processo biologico di sintesi dello zucchero dall'anidridecarbonica e dall'acqua nei cloroplasti delle piante in condizioni di luce.
Tuttavia, questaenergia è difficile per noi da usare direttamente e generalmente deve esseretrasformata nell'elettricità che usiamo comunemente. I principi della fisica cidicono che il processo di conversione dell'energia comporta inevitabilmente unaperdita di energia. Il tema della conversione dell'energia solare direttamentein elettricità è quindi all'ordine del giorno.
L'energia solarepuò essere convertita direttamente in elettricità? E quali fattori sonocoinvolti in questo processo di conversione? Questa era una proposta difficileper gli scienziati dell'inizio del XIX secolo.
Fortunatamente,una svolta importante è stata raggiunta alla fine del XIX secolo.
L'uomo con il"cervello più forte" ha scoperto il mistero della luce edell'elettricità
Nel 1887, ilfamoso fisico Hertz (da cui prende il nome l'unità di frequenza) scoprì percaso durante uno studio che la luce che brillava sulla superficie di certesostanze provocava un cambiamento nelle proprietà elettriche della sostanza.Ricerche successive dimostrarono che ciò era dovuto alla creazione di un flussodi elettroni, da cui il nome "effetto fotoelettrico".
Immagine:Diagramma dell'effetto fotoelettrico
È importantecapire che all'epoca, i principi classici della fisica stabiliti da IsaacNewton dominavano la mente delle persone. Questo principio considera la lucecome un'onda trasmessa in un mezzo come il sole (una sostanza prevista dall'anticofilosofo greco Aristotele e presa in prestito dai fisici nel XIX secolo perriferirsi al mezzo attraverso cui viaggia la luce) (immaginate un sasso gettatoin un lago, la cui superficie si increspa verso l'esterno in un cerchiod'acqua), e l'energia dell'onda è legata alla sua ampiezza (l'ampiezzadell'onda luminosa è l'intensità della luce).
Immagine:increspature causate da una pietra lanciata in un lago
Questo sembraavere perfettamente senso. Come potete immaginare, in inverno il sole non ècosì forte da sentire caldo sul corpo, mentre in estate il sole è così duro checi si può scottare se non si protegge la pelle. Così, secondo la fisicaclassica, se l'effetto fotoelettrico può verificarsi dipende dall'intensitàdella luce; tuttavia, questa teoria contraddice una serie di risultatisperimentali dell'epoca.
Gli studidimostrarono che alcuni colori di luce della stessa sostanza non potevanoprodurre l'effetto fotoelettrico, indipendentemente dall'intensità della luce,mentre alcuni colori di luce potevano produrre una corrente elettrica anche aintensità molto basse.
Una tempestagenera distruzione, ma con essa arriva una nuova vita. Fu Albert Einstein, comelo conosciamo noi, a risolvere il problema dell'effetto fotoelettrico.
Einstein èampiamente conosciuto per aver stabilito la teoria della relatività, ma quelloche forse non sapete è che un così grande scienziato ha mancato per un pelo ilPremio Nobel, conosciuto come il più alto onore della scienza (i Premi Nobelnon vengono mai assegnati per scoperte controverse, e il dibattito e lacontroversia sulla teoria della relatività sono ancora in corso oggi).
Einstein vinseil premio Nobel per la fisica nel 1921 grazie alla sua spiegazione creativadell'effetto fotoelettrico. Ha proposto che la luce è costituita da fotoni, chesono per natura pacchetti di energia, e che l'energia contenuta in ognipacchetto è legata alla sua frequenza (il numero di cambiamenti per unità ditempo (1s)), quindi se la luce che colpisce un oggetto produce elettroni dipendeinteramente dall'energia (frequenza) del pacchetto (fotone), indipendentementedal numero di pacchetti (intensità della luce).
Le celle solarisono come un "panino
Abbiamodescritto come l'effetto fotoelettrico è stato scoperto e come può essereprodotto, ma come possono gli elettroni prodotti essere utilizzati da noi?
Questo ci portaad un altro concetto: il salto energetico.
Immagine:diagramma schematico di un salto di energia
Gli atomi sonocostituiti da un nucleo e da elettroni esterni al nucleo. Gli elettroni esternial nucleo non sono dispersi, ma sono disposti in strati secondo i principidella fisica, con gli elettroni vicini al nucleo che hanno un'energia più bassae quelli più lontani dal nucleo che hanno un'energia più alta.
In condizioninormali, gli elettroni fuori dal nucleo tendono sempre a disporsi nella formadi energia totale più bassa, per cui si dice che l'elettrone si trova nello"stato fondamentale". Quando un atomo nello stato di terra riceve unaqualche forma di energia (per esempio un fotone), si sposta spontaneamente a unlivello energetico superiore, il che è chiamato un salto energetico.
Sfortunatamente,l'elettrone nello stato eccitato non è stabile e ha la tendenza a saltare alivelli energetici inferiori, e l'energia in eccesso dell'elettrone vienedissipata sotto forma di energia luminosa o termica.
No, questa ètutta l'energia che viene data via, ma ancora non otteniamo elettricità, vero?
Nonpreoccupatevi, per condurre la corrente generata dall'effetto fotoelettrico,abbiamo bisogno di costruire una struttura adeguata del dispositivo, che èspesso indicato come una cella solare.
La struttura deldispositivo ha la forma di un sandwich, dove lo strato attivo con l'effettofotoelettrico è inserito tra lo strato di trasporto degli elettroni e lo stratodi trasporto del foro (la parte dell'elettrone che manca dopo il saltodell'elettrone è chiamata foro), con i materiali elettrodici, di solito metalloe ossido di indio-stagno (ITO), alle due estremità.
Quando un atomonello stato di terra riceve una qualche forma di energia (per esempio unfotone), si trasferisce spontaneamente a un livello energetico superiore, ilche è chiamato un salto energetico. Poiché lo stato eccitato dello strato ditrasporto degli elettroni è a un livello di energia leggermente inferiore aquello dello strato attivo, gli elettroni dallo stato eccitato dello stratoattivo tendono a passare allo strato di trasporto degli elettroni piuttosto chetornare allo stato di terra dello strato attivo; mentre lo stato di terra dellostrato di trasporto dei buchi è a un'energia leggermente superiore allo statodi terra dello strato attivo, gli elettroni tendono a passare allo stato diterra dello strato attivo.
Questo è comeimpostare piccoli passi per gli elettroni per "alzare i piedi" eandare oltre, piuttosto che fare un salto difficile (balzo), rendendo cosìl'intero processo facile da realizzare.
Con lo strato ditrasporto degli elettroni e lo strato di trasporto dei buchi che lavoranoinsieme efficacemente, l'intero dispositivo forma un circuito completo e glielettroni generati nello strato attivo possono essere esportati e utilizzatiper i nostri scopi.
Dopo latrasformazione, finalmente otteniamo elettricità direttamente dall'energiasolare e questo è il principio della cella solare.