Conduttori, isolanti e semiconduttori

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Conduttori, isolanti e semiconduttori
Conduttori - Non c’è soluzione di continuità tra livelli energetici occupati e non occupati dagli elettroni.
Gli elettroni più energetici stanno nella cosiddetta banda di conduzione.
Isolanti – C’è discontinuità (Energy Gap) tra i livelli energetici occupati e quelli non occupati. L’Energy gap
è di qualche eV (nel diamante Eg  5.5 eV, nel biossido di silicio Eg  9 eV ) . I livelli occupati sono quelli
degli elettroni di valenza, cioè gli elettroni coinvolti nei legami tra gli atomi.
Semiconduttori – Lo schema energetico è simile a quello degli isolanti, ma con un Energy gap dell’ordine
dell’eV (1,1 nel Si, 0.7 nel Ge, 1.5 nel GaAs a T = 300 K). Un semiconduttore a T= 0 K è indistinguibile da un
isolante.
Trasporto di carica
Il trasporto di carica elettrica (corrente elettrica) è dovuto agli elettroni liberi da legami con i
nuclei atomici, che possono muoversi coerentemente quando ai capi del conduttore poniamo
una differenza di potenziale elettrico.
L’intensità di corrente dipende dalla densità dei portatori di carica , che nei solidi conduttori è
tipicamente n = (Numero di elettroni liberi)/(Volume unitario) ~ 1022 – 1023/cm3
(in pratica c’è un elettrone di conduzione per atomo)
Nei semiconduttori, all’aumentare della temperatura da T= 0 K a T = 300 K, per agitazione
termica non è nulla la probabilità che un elettrone acquisti un’energia cinetica sufficiente per
staccarsi dall’atomo di origine e diventare elettrone libero. In termini energetici, l’elettrone
acquista un’energia termica maggiore o uguale all’Energy Gap e passa dalla banda di valenza
a quella di conduzione.
A T=300 K
negli isolanti
n  10/cm3
nei semiconduttori
n = 2.8 · 1013/cm3 in Ge;
n = 1.0 · 1010/cm3 in Si;
n = 2.0 · 106/cm3 in GaAs
Semiconduttori intrinseci
In un cristallo puro di Silicio, ogni atomo è legato ai
quattro vicini da legami covalenti
Semiconduttori drogati
Drogaggio di tipo n (atomi donori)
Se ad alcuni atomi di Si ( o Ge) si sostituiscono atomi pentavalenti (del gruppo V),
come per es. P, As, Sb, per ognuna di queste impurezze atomiche si avrà un elettrone
disponibile per la conduzione. Si possono così raggiungere densità di elettroni di
conduzione n  1017- 1019 /cm3 anche sostituendo con un atomo-impurezza un atomo di
Si ogni 104 – 105 atomi del reticolo cristallino.
Drogaggio di tipo p (atomi accettori)
Analogamente , se ad alcuni atomi di Si ( o Ge) si sostituiscono atomi trivalenti
(del gruppo III), come per es. Al, Ga, In, per ognuna di queste impurezze atomiche si avrà
un elettrone di valenza in meno e questa mancanza viene detta lacuna o buca.
N.B. Le lacune si comportano come portatori di carica simili agli elettroni ma con carica
positiva. Con gli stessi livelli di drogaggio sopra menzionati si possono ottenere quindi
densità di lacune p  1017- 1019 /cm3 ed ottenere correnti non trascurabili di cariche
positive.
LEGGE DI AZIONE DI MASSA
In un semiconduttore intrinseco il prodotto delle concentrazioni di elettroni e lacune è costante
ad una data temperatura
Questa equazione continua ad essere valida anche nei SC drogati
In un SC drogato con accettori (SC di tipo p), se NA è la densità degli atomi droganti
In un SC drogato con donori (SC di tipo n), se ND è la densità degli atomi droganti
Giunzione p-n
Accoppiando un semiconduttore drogato-p con uno drogato-n si forma una cosidetta
giunzione p-n, schematizzata in figura
Giunzione non polarizzata
• al confine tra i due Sc drogati p ed n si crea la cosiddetta zona di “transizione”
o di “svuotamento” priva di cariche libere;
• come in una pila si crea una differenza di potenziale di “contatto” che impedisce
la diffusione di cariche libere e che è data dalla seguente espressione:
A T=300 K e con livelli di drogaggio standard
Ψ0 è dell’ordine dei decimi di Volt
• le coppie elettrone-lacuna che si dovessero creare termicamente nella zona di
svuotamento verranno separate e le cariche positive e negative spinte fuori dalla zona
di svuotamento in due versi opposti, ciascun tipo di portatori verso la zona della
giunzione dove quei portatori di carica sono maggioritari:
le lacune verso la zona p, gli elettroni verso la zona n
Giunzione polarizzata (diodo)
Effetti della polarizzazione
Polarizzazione inversa
La zona di svuotamento si allarga e la d.d.p. alla giunzione diventa
Ψ = Ψ0 +Vext
N.B. L’aumento della d.d.p impedisce ancora di piu’ il passaggio di
cariche attraverso la giunzione e la corrente è praticamente nulla
Polarizzazione diretta
La zona di svuotamento si restringe e la d.d.p. alla giunzione diventa
Ψ = Ψ0 - Vext
N.B. La diminuzione della d.d.p rompe la condizione di equilibrio creatasi
nella giunzione non polarizzata e rende possibile il passaggio di
cariche attraverso la giunzione
Corrente attraverso la giunzione
La dipendenza della corrente dalla d.d.p. esterna V è
e tale dipendenza e rappresentata in figura
La fotocorrente
L’energia necessaria alla creazione di una coppia elettrone-lacuna puo’ essere
fornita da radiazione e.m. che abbia energia maggiore o uguale alla differenza di
energia tra l’estremo inferiore della banda di conduzione e l’estremo superiore
della banda di valenza del SC, cioè
N.B. Eg >> kT 25 meV a T=300 K
In maniera complementare, in un processo di ricombinazione di coppie elettronelacuna un’energia  Eg dovrà essere rilasciata sotto forma di radiazione emessa.
Sulla base di questi fenomeni, si potrà, da un lato, generare corrente facendo incidere
sul diodo della radiazione (fotodiodo, cella fotovoltaica), dall’altro, polarizzando
opportunamente un diodo e facendovi passare della corrente, possiamo generare
un segnale luminoso (LED , Light Emitting Diode)
La radiazione e.m. assorbita o emessa da un dispositivo a SC è compresa nel range
visibile, caratterizzato da lunghezze d’onda 400 nm <  < 760 nm, ovvero energie
1.63 eV < h < 3.1 eV
Colore della luce emessa
I diodi LED hanno una curva caratteristica I-V molto simile a quello dei diodi al silicio.
Ciò che varia è la tensione di soglia che dipende dal materiale semiconduttotre
impiegato per il drogaggio a seconda delle frequenze luminose che deve emettere.
Il diodo emette luce se polarizzato direttamente e la caduta di tensione diretta Vf
(Eg/q) dipende dalla tecnologia di realizzazione:
GaAs - rosso e infrarosso: 1,4 - 2 V
AlGaAs - rosso e infrarosso: 1,3 - 1,5
GaAlP - verde: 2 - 2,2 V
GaAsP - rosso, rosso-arancione, arancione, e giallo: 2 - 2,5 V
GaN - verde e blu: 5 - 5,5 V
GaP - rosso, giallo e verde: 3 - 3,5 V
ZnSe - blu: 2,4 - 2,7 V
InGaN - blu-verde, blu: 3,8 - 4,5 V
InGaAlP - rosso-arancione, arancione, giallo e verde: 2 - 2,4 V
Principio di funzionamento di un LED
Il LED è costituito da una giunzione p-n polarizzata direttamente; ciò significa che
alla zona p è stato applicato un potenziale positivo, mentre alla zona n è stato
imposto un potenziale negativo.
In queste condizioni, gli elettroni della parte n, respinti dal potenziale negativo,
entrano nella regione di svuotamento; dalla parte opposta, anche le lacune,
respinte dal potenziale positivo, entrano nella zona di svuotamento.
Come conseguenza di questa diffusione di cariche, gli elettroni e le lacune si
ricombinano a livello della giunzione.
Dal momento che gli elettroni della regione n si trovano in banda di conduzione,
mentre le lacune della zona p sono in banda di valenza, nel processo di
ricombinazione, gli elettroni devono liberarsi della quantità di energia
corrispondente alla gap.
Durante questo processo l’energia di cui gli elettroni si liberano viene emessa in
forma di luce e il colore di tale radiazione luminosa dipende esclusivamente dal
valore della gap del semiconduttore.
PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DELLA CELLA SOLARE
Illuminando la giunzione p-n si generano delle coppie elettrone- lacuna in entrambe le
zone n e p.
Il campo elettrico separa gli elettroni in eccesso generati dall’assorbimento della luce,
dalle rispettive lacune spingendoli in direzioni opposte ( gli elettroni verso la zona n e le
lacune verso la zona p ). Una volta attraversato il campo gli elettroni liberi non tornano
più indietro, perché il campo, agendo come un diodo, impedisce loro di invertire la
marcia.
Se si connette la giunzione p-n con un conduttore, nel circuito esterno si otterrà un
flusso di elettroni che parte dallo strato n, a potenziale maggiore, verso lo strato p, a
potenziale minore. Fino a quando la cella resta esposta alla luce, l’elettricutà fluisce con
regolarità sotto forma di corrente continua.
È importante che lo strato esposto alla luce, generalmente lo strato n, sia tale da
garantire il massimo assorbimento di fotoni incidenti in vicinanza della giunzione: per il
Silicio questo spessore deve essere di 0,5 mm, mentre lo spessore totale della cella non
deve superare i 250 mm.
PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DELLA CELLA SOLARE
• Se alla cella fotovoltaica non è applicato nessun carico,e non vi è nessun
collegamento di corto circuito tra i contatti metallici fronte-retro, il processo
fotovoltaico farà comparire ai suoi estremi una differenza di potenziale
massima di circuito aperto (open circuit) denominata Vop ( in questa
condizione la corrente nel dispositivo è nulla);
• in condizione di corto circuito (short circuit), invece, tra il fronte e il retro
della cella, si misura una corrente massima denominata Isc con una tensione
nulla agli estremi.
• Quando è presente un carico esterno, la corrente Isc diminuisce di una
quantità pari alla corrente scura (dark current) della cella e di direzione
opposta a quella generata dal processo fotovoltaico, questo perchè con un
carico esterno la cella diventa un diodo a cui viene applicato una tensione;
• quindi nella cella oltre a generarsi una corrente per effetto fotovoltaico ci
sarà anche una corrente di diodo (dark current).
• Se scegliamo per convenzione che la fotocorrente sia positiva, la corrente
totale all’interno dela cella è data dalla somma algebrica della corrente di
corto circuito (Isc) con la dark current (Idark):
I(V) = Isc – Idark(V)
• o per un diodo ideale:
I(V) = Isc – Io(e qV/KT–1)
• Il regime di funzionamento di una cella è quello in cui esso fornisce potenza,
e la potenza, P = VI, raggiunge un massimo nel cosiddetto punto di
funzionamento della cella o punto di potenza massima,questo accade ad un
certo voltaggio Vm a cui corrisponde una corrente Im.
CARATTERISTICA ELETTRICA DELLA CELLA FOTOVOLTAICA
La curva I-V caratteristica di una cella FV è
quella di un diodo con in parallelo un
generatore di corrente
• La caratteristica elettrica corrente-tensione
(I-V) della cella è caratterizzata da:
• Isc: corrente di corto circuito
• Voc: tensione a circuito aperto
• Imax: corrente nel punto di massima
potenza
• Vmax: tensione nel punto di massima
potenza
• La densità della fotocorrente per una cella al
Si è pari Isc ~30-35 mA/cmq e la tensione
è quella caratteristica di un diodo, Voc ~ 0,6 V
I
+
V
-
CARATTERISTICA ELETTRICA DELLA CELLA FOTOVOLTAICA
La caratteristica di una cella FV viene
rappresentata considerando positiva la
fotocorrente
• Il rendimento della cella è il rapporto
tra la potenza elettrica Wp della cella e
la potenza della radiazione solare
incidente Win
• Il rendimento è generalmente misurato
in condizioni standard STC
(Win=1.000 W/mq; T= 25° C; Densità
aria 1.5)
• La potenza elettrica riferita alle
condizioni di irraggiamento STC è
riferita come Wp (Watt di picco)
• Il Watt di picco della cella è
proporzionale al fattore di riempimento
FF
• Wp: Voc x Isc x FF (~77% per il Si)
CARATTERISTICA ELETTRICA DELLA CELLA FOTOVOLTAICA
La cella solare si comporta come un
generatore di corrente al variare della
illuminazione
• La tensione ai capi del modulo è
debolmente influenzata dall’illuminazione
• Al variare della temperature aumenta la
corrente di ricombinazione e la tensione
diminuisice
• La cella fotovoltaica ha quindi un
degrado di efficienza all’aumentare
della temperatura (~ - 0,5%/°C)
• La temperatura di lavoro del modulo è
generalmente indicata dalla NOTC riferito
a Win=800 W/mq, T aria=20°C, v=1 m/s
• Se la NOTC è ad esempio 45 °C la
perdita relativa di efficienza rispetto alle
condizioni STC è circa del 10%
Celle a silicio monocristallino: hanno il
rendimento più alto pari al 15%. Si
presentano di colore blu uniforme e hanno
forma ottagonale, di12 cm di larghezza e
circa 0,2 mm di spessore
Celle a silicio policristallino: hanno una
minor efficienza tra l’12 e il 14%. Si
presentano di un colore blu cangiante
dovuto alla struttura non omogenea.
Hanno forma quadrata di 15 cm di lato e
circa 0,2 mm di spessore
Limitata efficienza delle celle fotovoltaiche al silicio
• riflessione: non tutti i fotoni che incidono su una cella penetrano al suo interno, dato
che in parte vengono riflessi dalla superfice della cella e in parte incidono
sulla griglia metallica dei contatti;
• fotoni troppo o poco energetici: per rompere il legame tra elettrone e nucleo
occorre una certa energia, e non tutti i fotoni incidenti possiedono energia
sufficiente. D’altra parte alcuni fotoni troppo energetici generano coppie elettrone-lacuna,
dissipando in calore l’energia eccedente quella necessaria a staccare l’elettrone dal nucleo;
• ricombinazione: non tutte le coppie elettrone-lacuna generate vengono raccolte
dal campo elettrico di giunzione e inviate al carico esterno, dato che nel percorso
dal punto di generazione verso la giunzione possono incontrare cariche di segno
opposto e quindi ricombinarsi;
• resistenze parassite: le cariche generate e raccolte nella zona di svuotamento
devono essere inviate all’esterno. L’operazione di raccolta viene effettuata dai
contatti metallici, posti sul fronte e sul retro della cella. Anche se durante la
fabbricazione viene effettuato un processo di lega tra Silicio e Alluminio dei
contatti, resta una certa resistenza all’interfaccia, che provoca una dissipazione che
riduce la potenza trasferita al carico. Nel caso di celle al Silicio policristallino,
l’efficienza è ulteriormente diminuita a causa della resistenza che gli elettroni
incontrano ai confini tra un grano e l’altro e, ancor più nel caso di celle al Silicio
amorfo, per la resistenza dovuta all’orientamento casuale dei singoli atomi.
Confronto di prestazioni di varie celle fotovoltaiche
RENDIMENTO
Vantaggi
Svantaggi
Si-mono / Si-poli
12-15%
Alta efficienza;
adatto a usi quando
area è ridotta
Tecnologia
ultraconsolidata
Affidabilità
Si-amorfo
5-6%
Costo inferiore al
mono-cristallino
Integrazione
architettonica
Tecnologia matura
Costo elevato
Criticità -nella
fornitura di Si poly
Non adatto a
integrazione
architettoniche
Bassa efficienza
stabilizzata (non
adatto in condizioni
di scarsità d’area)
CdTe / CIGS
9-12%
Minori perdite per
temperatura
Non dipende da Si
poly
Minori costi di
produzione
Efficienza
paragonabile a Si
Integrazione in
architettura/edilizia
Migliore resa con
luce diffusa
Nel lungo termine
scarsità di alcune
materie prime (Te)
Cd: tossicità per la
produzione e
smaltimento
CIGS scarsa
maturità industriale
TECNOLOGIE EMERGENTI: CELLE A MULTIGIUNZIONE
Le celle a multigiunzione sono a
base di materiali semiconduttori
composti come GaAs e InP,
InGaAs, InGaP
L’uso di multigiunzioni permette di
raccogliere meglio lo spettro della
radiazione solare (la celle superiore
assorbe il blu, quella inferiore il
rosso) e di realizzare efficienza >
35-40%
Dato l’alto costo esse hanno trovato
applicazione solo nei sistemi spaziali
InGaP
CELLE MULTIGIUNZIONE
Dimensioni tipiche  cm2
TECNOLOGIE EMERGENTI: CONCENTRATORI
Le celle a multigiunzione se accoppiate con
ottiche di concentrazione (lenti piane di plastica
o specchi) e inseguitori solari, permettono di
ottenere bassi costi al W
L’area di celle a concentrazione al GaAs
(in rosso) eroga la stessa potenza
dell’intero campo di calcio se coperto da
pannelli piani al silicio (rettangolo bianco)
I sistemi HCPV
Dott. F. Nuzzo - A.A. 2012-13
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Stato dell’arte
•
Ottiche rifrattive (Fresnel)
Cella:
InGap/InGaAs/Ge
Efficienza: 37,4 %
Concentrazione
geometrica: 400x
 Ottiche riflessive
Cella: InGap/InGaAs/G
Efficienza: 26 %
Concentrazione
geometrica: 1300x
Dott. F. Nuzzo - A.A. 2012-13
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Il prototipo
Dott. F. Nuzzo - A.A. 2012-13
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