OBIETTIVI FORMATIVI

l corso si propone di illustrare le potenzialità della risorsa solare ed i meccanismi fisici alla base della conversione della radiazione solare in energia elettrica. Verranno introdotti gli elementi di fisica dei semiconduttori necessari a descrivere il funzionamento delle celle solari con particolare riferimento a quelle in Silicio. Si fornirà infine una panoramica sui nuovi concetti e materiali studiati per aumentare l'efficienza delle celle solari.

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

Gli obiettivi formativi del corso comprendono l'acquisizione di conoscenze teoriche relative a: Risorsa energetica solare e al dimensionamento della potenzialità di produzione fotovoltaica valutata tramite l'impiego di software di simulazione di riferimento (PVGIS) disponibili su piattaforme Open Access. Processi di assorbimento ottico nei semiconduttori. Fisica delle celle solari e dei semiconduttori, con particolare riferimento a dispositivi a giunzione in Silicio. Limiti termodinamici all'efficienza di un convertitore fotovoltaico e nuovi concetti e materiali per aumentare l'efficienza delle celle solari.

Gli obiettivi formativi del coso prevedono anche l'acquisizione di competenze sperimentali reltivamente alla caratterizzazione elettro-ottica e morfologica di celle solari commerciali.

PREREQUISITI

Si considerano acquisite le nozioni di base relative alla Fisica dei Solidi con particolare riferimento al comportamento di elettroni nei metalli e nei semiconduttori e le nozioni di Fisica generale con particolare riferimento all'elettromagnetismo, all'ottica e alla interazione radiazione-materia. 

MODALITA' DIDATTICHE

Il corso prevede circa 42 ore di lezioni frontali in cui vengono presentati gli argomenti teorici. Sono anche previste circa 8 ore di attività in laboratorio in cui viene effettuata la caratterizzazione di alcune celle solari per quanto riguarda la loro risposta ottica, la morfologia e struttura, la loro risposta elettrica sotto condizioni di illuminazione.  

PROGRAMMA/CONTENUTO

1- Introduzione:

energie rinnovabili, riscaldamento globale, politica energetica

2- La risorsa energetica solare:

Radiazione solare. Spettro di corpo nero; Effetti dell'atmosfera solare e terrestre: assorbimento da atomi e molecole e distribuzione spettrale della radiazione solare. Assorbimento da semiconduttori; Processi ottici; Concentrazione di radiazione solare;

3- Fisica delle celle solari:

Richiami di fisica dei semiconduttori. Assorbimento di Fotoni e Generazione di coppie elettrone lacuna; Ricombinazione di elettroni e lacune (radiativa e non radiativa). Ricombinazione a bordi di grano, difetti e superfici; Diffusione di portatori minoritari; tempi di vita e lunghezze di diffusione;

4- Struttura base di una cella solare al Silicio:

Giunzione p-n e p-i-n. Separazione di elettroni e lacune; Caratteristica I-V di una cella solare. Celle solari monocristalline; Celle solari policristalline; Limiti teorici per la conversione di energia (approccio di Schockley-Queisser); Efficienza e gap di energia; Risposta spettrale; Effetto delle resistenze parassite; effetti di temperatura;

5- Nuovi concetti e materiali per aumentare l'efficienza delle celle solari:

Perdite per riflessione; Celle solari a concentrazione. Celle solari a film sottile; Amplificazione della Raccolta fotonica in celle nanostrutturate; Cenni ad altri materiali semiconduttori di interesse fotovoltaico; Limti termodinamici all'efficienza di un convertitore solare termodinamico; Celle tandem (multigiunzione) (cenni). Celle a banda intermedia (cenni); Celle a portatori caldi (cenni); Celle a ionizzazione ad impatto (cenni).

6- Attività di laboratorio

Caratterizzazione elettro-ottica e morfologica di celle solari commerciali

TESTI/BIBLIOGRAFIA

• “Handbook of Photovoltaic Science and Engineering” Eds. A.Luque and S. Hegedus, Wiley
• “The Physics of Solar cells” by Jenny Nelson (Imperial College, UK) World Scientific Press
•  “Materials Concepts for Solar Cells” by Thomas Dittrich (Imperial College Press) 2nd edition