A2C - Salerno

Come funzionano i pannelli fotovoltaici? Come fanno a convertire la luce solare in energia elettrica? Tutto ciò è possibile grazie all'effetto fotoelettrico. Si tratta di un fenomeno quantistico che consiste nell'emissione, da parte di particolari superfici metalliche, di elettroni qualora la superficie sia colpita da radiazioni elettromagnetiche ad una data energia.

 Il primo ad introdurre il termine fotoelettrico fu il fisico italiano Augusto Righi nel 1888, mentre la scoperta viene generalmente attribuita al fisico tedesco Hertz, a cui è stata dedicata l'unità di misura della frequenza delle onde elettromagnetiche: l'Hertz, appunto.

Ad inizio '900, grazie ai lavori di Max Planck, la meccanica quantistica irruppe nel mondo della fisica, rivoluzionando la nostra conoscenza della materia a livello atomico e subatomico, nonché come materia ed energia interagiscono a simili scale.
Fu Albert Einstein a dare l'interpretazione corretta dell'effetto fotoelettrico, nel 1905. Einstein intuì che l'estrazione di elettroni da una superficie metallica si spiega molto più facilmente e correttamente ipotizzando che le radiazioni elettromagnetiche siano composte da pacchetti di energia detti "quanti", confermando di fatto le previsioni di Planck. Al quanto di luce in seguito fu dato il nome di "fotone". In pratica, la luce ha sia una natura ondulatoria e sia corpuscolare: la prima è descritta dalla fisica classica, la seconda dalla meccanica quantistica.
Si può quindi immaginare la luce come un'onda immateriale, composta da un flusso di pacchetti di energia indivisibili, detti appunto fotoni.

Quando dei fotoni colpiscono una superficie metallica una parte di essi verrà assorbita dagli atomi del metalli. Dal momento che i fotoni sono fatti di energia, assorbendoli gli atomi assorbono energia.
Per portare via elettroni ad un metallo è necessario che i fotoni abbiano un'energia almeno uguale a quella che li trattiene dove sono.
La legge di Planck stabilisce che l'energia trasportata da un fotone è proporzionale alla frequenza della radiazione incidente sul metallo. Maggiore è la frequenza, maggiore sarà l'energia trasportata dal fotone.
Ogni materiale richiede una certa energia per riuscire a portargli vie elettroni, pertanto, scegliendo la frequenza opportuna, si può eguagliare o superare tale soglia critica.
Gli elettroni in realtà non vengono portati via dal materiale, ma passano dalla "banda di valenza" alla "banda di conduzione", che come suggerisce il nome permette la conduzione di cariche elettriche.
Le due bande sono semplicemente due diversi livelli energetici che possono ospitare elettroni.
Collegando con dei fili due materiali fotovoltaici che fungono da elettrodi, tali elettroni attraversano i fili generando di fatto una corrente elettrica, con una data intensità e tensione.
I materiali isolanti non sono adatti per realizzare pannelli fotovoltaici perché le due bande sono separate da una "banda proibita" troppo ampia. I conduttori metallici invece non vanno bene perché la banda proibita semplicemente non esiste o è trascurabile, e quindi il passaggio di elettroni da una banda all'altra avviene già di norma in maniera continua e spontanea e non è possibile governarlo per produrre energia elettrica.

Si usano appositi semiconduttori a base di silicio in quanto funzionano con la luce del sole. I due elettrodi in questo caso sono le due facce del pannello.
Ad essere più precisi, questa applicazione particolare si chiama effetto fotovoltaico ed è uno dei modi in cui si manifesta l'effetto fotoelettrico.
In pratica il fotovoltaico è la produzione di energia elettrica mediante effetto fotoelettrico prodotto dalla luce visibile.
Concludiamo dicendo che queste intuizioni valsero ad Einstein il suo premio Nobel e confermarono le previsioni di Planck sulla natura quantistica dell'energia e della sua interazione con la materia.

Si ringrazia il Dott. Luigi Rescigno per il supporto scientifico