Come funziona una cella fotovoltaica

Qual è il principio fisico in base al quale una cella fotovoltaica produce energia elettrica quando viene colpita dalla luce del sole?

Il fotovoltaico è una tecnologia grazie alla quale è possibile trasformare l'energia associata alla radiazione solare in energia elettrica, sfruttando il cosiddetto effetto fotovoltaico: alcuni materiali semiconduttori infatti, opportunamente trattati, sono in grado di generare elettricità quando vengono colpiti dalla radiazione solare, senza dover ricorrere ad alcun combustibile. Il materiale semiconduttore più utilizzato nella tecnologia del fotovoltaico è il silicio, che costituisce l'elemento chiave per le celle fotovoltaiche.

Una superficie della cella fotovoltaica di silicio è drogata con l'inserimento di atomi di boro (silicio di tipo P, presenta lacune di elettroni), mentre l'altra è drogata con piccole quantità di fosforo inserite ad alta temperatura (silicio di tipo N, presenta un numero di elettroni in eccesso); ponendo a contatto i due cristalli di silicio di tipo P e di tipo N si ottiene una giunzione P-N. Le lacune (spazi vuoti nelle orbite) presenti nel cristallo P tendono a spostarsi nel cristallo N. Allo stesso modo, gli elettroni in eccesso nel cristallo N tendono a spostarsi verso il cristallo P.

Quando i fotoni (particelle di energia) della luce solare colpiscono la cella fotovoltaica, una parte di energia si trasforma in calore, una parte viene riflessa, ed un'ultima parte provoca uno spostamento degli elettroni degli atomi nel materiale semiconduttore. L'energia del flusso di fotoni libera un certo numero di elettroni/lacune: gli elettroni spostati nella struttura atomica del semiconduttore iniziano a scorrere, producendo una corrente elettrica nel corpo del semiconduttore.