La generazione di energia fotovoltaica è una tecnologia che sfrutta l'effetto fotovoltaico della giunzione P-N per convertire l'energia luminosa direttamente in elettricità, ovvero un dispositivo che converte l'energia solare direttamente in elettricità attraverso l'effetto fotoelettrico o fotochimico.Ma chi ha scoperto questo effetto?
Trovare ispirazione dalla fotosintesi delle piante: utilizzare l'energia solare per generare elettricità
Sappiamo tutti che l'energia a disposizione di tutti gli esseri viventi sulla terra deriva fondamentalmente dalla fotosintesi delle piante.
La fotosintesi nelle piante è il processo biologico di sintesi dello zucchero dall'anidride carbonica e dall'acqua nei cloroplasti delle piante in condizioni di luce.
Tuttavia, questa energia è difficile da utilizzare direttamente e in genere deve essere trasformata nell'elettricità che usiamo comunemente. I principi della fisica ci dicono che il processo di conversione dell'energia comporta inevitabilmente una perdita di energia. Il tema della conversione dell'energia solare direttamente in elettricità è quindi all'ordine del giorno.
L'energia solare può essere convertita direttamente in elettricità? E quali sono i fattori coinvolti in questo processo di conversione? Si trattava di una proposta difficile per gli scienziati dell'inizio del XIX secolo. Fortunatamente, alla fine del XIX secolo è stato compiuto un importante passo avanti.
L'uomo con il "cervello più forte" ha scoperto il mistero della luce e dell'elettricità
Nel 1887, il famoso fisico Hertz (da cui oggi prende il nome l'unità di misura della frequenza) scoprì per caso che la luce che brilla sulla superficie di alcune sostanze provoca un cambiamento nelle proprietà elettriche della sostanza.
Ricerche successive dimostrarono che ciò era dovuto alla creazione di un flusso di elettroni e il fenomeno divenne noto come "effetto fotoelettrico".
All'epoca, i principi della fisica classica stabiliti da Isaac Newton dominavano le menti delle persone. Secondo la fisica classica, l'effetto fotoelettrico dipendeva dall'intensità della luce; tuttavia, questa teoria fu contraddetta da una serie di risultati sperimentali dell'epoca.
La fisica classica entrò in crisi quando si dimostrò che alcuni colori di luce di una stessa sostanza non potevano produrre l'effetto fotoelettrico indipendentemente dall'intensità della luce, mentre altri potevano produrre correnti elettriche anche a intensità molto basse: si stava preparando una tempesta che avrebbe travolto l'intera comunità scientifica.
È stato Albert Einstein, come lo conosciamo, a risolvere il problema dell'effetto fotoelettrico.
Einstein ricevette il Premio Nobel per la Fisica nel 1921 per la sua spiegazione creativa dell'effetto fotoelettrico. Egli propose che la luce è costituita da fotoni, che sono per natura pacchetti di energia, e l'energia contenuta in ogni pacchetto è legata alla sua frequenza (il numero di cambiamenti per unità di tempo (1s)), quindi se la luce che colpisce un oggetto produce elettroni dipende interamente dall'energia (frequenza) del pacchetto (fotone), indipendentemente dal numero di pacchetti (intensità luminosa).
Le celle solari sono come un "sandwich"
Abbiamo descritto come è stato scoperto l'effetto fotoelettrico e come si può produrre, ma come si possono utilizzare gli elettroni risultanti?
Per condurre la corrente generata dall'effetto fotoelettrico, è necessario costruire una struttura adeguata, spesso definita cella solare.
La struttura del dispositivo ha la forma di un sandwich, in cui lo strato attivo con effetto fotovoltaico è inserito tra uno strato di trasporto di elettroni e uno strato di trasporto di buche (la parte locale carente di elettroni che si forma dopo il salto di elettroni è chiamata buca), con materiali elettrodici, solitamente metallo e ossido di indio-stagno (ITO), alle due estremità.
Le celle solari sono collegate in serie e poi incapsulate e protette per formare moduli solari di grande superficie che, insieme a componenti come i regolatori di potenza, costituiscono dispositivi di generazione di energia fotovoltaica. Dopo la conversione, otteniamo finalmente elettricità direttamente dal sole: questo è il principio della cella solare.
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