Energia solare

Processo fotovoltaico: i fondamenti

Sin dalle più antiche civiltà, l'energia solare è stata sfruttata (agricoltura, riscaldamento, etc.) per il suo contenuto calorico; ma in questo modo si è utilizzata soltanto una frazione dello spettro elettromagnetico della radiazione solare: quella relativa alle onde lunghe (infrarosso).
Con l'approfondimento moderno delle conoscenze sulla costituzione della materia, si è compreso che la proprietà di certe sostanze di condurre elettricità deriva dal fatto di poter rendere liberi gli elettroni dei legami atomici, a spese di energia elettromagnetica di determinata lunghezza d'onda, cioè ad opera di fotoni di determinata energia. Su questo principio si basa il processo di conversione fotovoltaica, che oggi si attua mediante le celle solari.

Tutto questo processo viene oggigiorno sfruttato in pieno dagli impianti fotovoltaici installati in tutte le zone di Italia, impianti che hanno raggiunto ormai un buon livello di maturazione tecnologica. Grazie all’evoluzione tecnologica, a nuovi materiali e ad una differente progettazione degli impianti fotovoltaici, molti costi sono stati abbattuti nel corse degli ultimi venti anni, e la strada verso lo sfruttamento delle energie rinnovabili in Italia è ormai spianata, e lo sarebbe ancora di più con un supporto maggiore da parte dello stato, che negli ultimi anni è stato più discontinuo.

Da un punto di vista estetico, la conversione fotovoltaica - il processo mediante il quale la luce viene convertita silenziosamente e direttamente in elettricità - è assai elegante e sotto il profilo della applicazione pratica è molto promettente. Un richiamo delle cognizioni di fisica coinvolte aiuterà a comprendere il meccanismo di questo processo.

La luce.
La luce attiva il processo fotovoltaico e fornisce l'energia che viene convertita in elettricità.
L'effetto fotovoltaico, creazione di un potenziale elettrico attraverso l'assorbimento di luce, fu descritto per la prima volta - nel 1839 - da E. Bequerel. Questi osservò che quando due elettrodi
identici vengono immersi in un elettrolito, tra di essi si stabilisce una differenza di potenziale se uno viene illuminato e l'altro tenuto al buio.
Prima di descrivere tale effetto, è opportuno rammentare un problema che per lungo tempo ha interessato la fisica: quello della natura della luce. Vi sono fenomeni (per es. la diffrazione) che sembrano indicare una natura ondulatoria della luce ed altri che sembrano indicarne una natura corpuscolare (per es. proprio l'effetto fotovoltaico).

Nel primo caso, la luce consisterebbe in una perturbazione elettromagnetica periodica propagatasi, con una velocità c = 300.000 km/s, in un misterioso ipotetico mezzo chiamato « etere ».
Vi sono tuttavia esperienze in cui, come si è detto, la radiazione sembra avere una natura corpuscolare, come se fosse cioè costituita da particelle materiali che si muovono con velocità molto grande (della luce) e che quindi sarebbero dotate di una massa e di una quantità di moto.
La fisica moderna ha risolto il problema, dimostrando che la radiazione elettromagnetica ha una natura duale, sicché talvolta (in certe esperienze) si manifesta con il suo aspetto ondulatorio, altre volte si manifesta con il suo aspetto corpuscolare, cioè come se fosse costituita da particelle.
Più in generale, ad ogni corpuscolo in moto va sempre associata un'onda, ma solamente in alcuni casi è possibile eseguire esperienze che mettano in evidenza ora l'aspetto corpuscolare ora quello ondulatorio. La particella associata alle onde elettromagnetiche è denominata fotone. Il concetto di fotone fu introdotto - sotto il nome di quantum di luce - da Einstein nel 1905, appunto per spiegare le leggi dell'effetto fotoelettrico.