ITCB20130004A1

ITCB20130004A1 - Soluzione fotovoltaica

Info

Publication number: ITCB20130004A1
Application number: IT000004A
Authority: IT
Inventors: Lucia Nole
Original assignee: Lucia Nole
Priority date: 2013-05-17
Filing date: 2013-05-17
Publication date: 2014-11-18
Also published as: WO2014184818A1

Description

SOLUZIONE FOTOVOLTAICA

DESCRIZIONE dell'INVENZIONE INDUSTRIALE avente per TITOLO: “SOLUZIONE FOTOVOLTAICA”

Descrizione

Per la sua sopravvivenza l’uomo si serve di ciò che lo circonda senza per questo distruggere ciò che tocca, in caso contrario l'esistenza di sé e degli altri può essere seriamente compromessa. Tutto ciò di cui abbiamo bisogno sta intorno a noi perciò non dobbiamo fare altro che attingere dalla natura ciò di cui necessitiamo. Il punto di partenza da cui è iniziato questo cammino è proprio l'essere umano, non si può fare a meno di usufruire di energia in tutte le sue forme per vivere la vita così come è strutturata oggi. Pertanto se l'energia è IN OGNI COSA CHE CI CIRCONDA, dobbiamo essere bravi a farle fare quelle trasformazioni che ci possono essere utili per far funzionare il sistema. Partendo dallo studio dell'elettrone, quindi della corrente elettrica e delle mille domande sul perchè quattro forze soltanto riescono variando la loro intensità e creare tutto quello che esiste, sono giunta a crear una soluzione fotovoltaica nuova. Più studiavo e più le domande e i dubbi aumentavano e di pari passo anche variazioni alla cella originaria, allora la strada da seguire era testare ciò che pensavo.

Gli elementi che hanno avuto un ruolo determinante sono:

1. La luce;

2. Il silicio;

3. Il boro;

4. Il fosforo;

5. Il ribbon;

6. Il materiale isolante;

7. L ' acqua.

1. La luce

Cominciando dalla luce sia essa naturale sia essa artificiale è fondamentale per innescare il processo di migrazione degli elettroni, il resto viene dalle sostanze presenti.

Queste onde elettromagnetiche, per sfruttare l'effetto fotovoltaico, devono trasmettere energia sufficiente agli elettroni della banda di valenza, e portarli nella banda di conduzione. Secondo Max Planck, l'energia Εγtrasportata da un'onda elettromagnetica monocromatica risulta essere come noto dato dalla seguente equazione:

Ey= hv Equazione di Planck

v - frequenza

h = costante di Planck = (6.626176+-0.000036)10<'34>Js

Il fotone è la particella elementare portatrice di una quantità finita e indivisibile di energia quindi i treni d'onda fotonici ovvero i quanti di radiazione elettromagnetica sono un multiplo intero di hv mai una frazione di essa. Il fisico tedesco M. Planck (1858-1947) fu il primo a ipotizzare 1'esistenza di questa particella, per spiegare le caratteristiche della radiazione emessa da un corpo nero. La radiazione elettromagnetica che ha un comportamento duale onda-corpuscolo, viaggia alla velocità di 300.000 Km/s e per un'onda piana ha intensità pari a:

I = cNhv

N - numero di fotoni;

C- velocità della luce; h = costante di Planck; v = frequenza.

II numero di fotoni coinvolti negli scambi di energia alla scala macroscopica è enorme tuttavia, per fotoni appartenenti alla regione del visibile v≡ 5*10<I4>S<"!>l'energia del fotone è secondo l'equazione di Planck Εγ ≡ hv ≤ 3*10<'19>J ≤ 2eV confrontabile con l’energia degli elettroni di molti atomi ovvero con l’energia di ionizzazione. L'energia di un fotone dipende dalla frequenza, se questa è tale per cui l'energia è inferiore all'energia di ionizzazione anche se la radiazione è intensa ovvero anche se è enorme il numero di fotoni la ionizzazione non può aver luogo. Il processo di ionizzazione ha luogo solamente se l'energia di ciascun fotone è superiore all'energia di soglia. Solamente se la soglia di attivazione di questo processo è superata il numero dì processi microscopici che avvengono nell'unità di tempo dipendono proporzionalmente dalla radiazione incidente. Questo meccanismo è alla base deil'effetto fotoelettrico, ovvero 1'emissione di elettroni da parte di una sostanza colpita da una radiazione luminosa. Il fenomeno venne scoperto da H. R. Hertz (1857-94) nel 1887, in seguito venne spiegato da Einstein. Mentre nel 1900 Lenard ottenne i primi risultati quantitativi sull'effetto fotoelettrico e nel 1916 Millikan effettuò esperimenti tesi a studiare tale fenomeno. Nel presente caso lo scopo è innescare la mobilità degli elettroni portandoli dalla banda di valenza alla banda di conduzione e, secondo la relazione di Einstein si ha,

dove Leè la funzione lavoro, i fotoni trasmettono per intero tutta la loro energia agli elettroni, se questa è superiore alla funzione di lavoro Legli elettroni possono uscire dal metallo con energia cinetica al più pari a hv-Le. Cambiando il materiale cambia il valore del parametro Le, ma non la pendenza della curva h/e, pari al valore della costante di Planck.

2. Il silicio

Tra i materiali semi-conduttori, il silicio è un materiale abbondantemente presente in natura e questo è un motivo sufficiente per un diffuso utilizzo di esso nelle diverse applicazioni tecnologiche. Presenta 4 elettroni nell'orbitale di valenza, è un elemento tetravalente ma, data la disposizione geometrica degli atomi nello spazio si contano 8 elettroni che assicurano la massima stabilità. La configurazione atomica che così si realizza dà luogo alla forma cristallina di colore grigio e lucidità metallica. Il silicio puro è chiamato semiconduttore intrinseco perché gli effetti elettrici, sono causati solo dalla rottura di alcuni legami. L'elettrone così strappato, mediante sollecitazioni termiche o elevati campi elettromagnetici viene denominato elettrone di valenza ed è indicato con la lettera n. Al suo posto viene a crearsi ima " mancanza " nella struttura reticolare del cristallo di silicio detto lacuna, usualmente indicato con la lettera p. L’asimmetrica migrazione di lacune ed elettroni è alla base delle correnti che si manifestano nei semiconduttori. Per migliorare la capacità di movimento degli elettroni, il silìcio viene trasformato da semiconduttore intrinseco a semiconduttore estrinseco attraverso il drogaggio. Questa tecnica serve per inserire impurità tra gli atomi della struttura cristallina del silicio, di solito le impurità sono atomi di boro aventi 3 elettroni nell'orbitale di valenza, o il fosforo che ha 5 atomi nell'orbitale di valenza. Nel primo caso si parlerà di semiconduttore di tipo p caratterizzato dall'avere proprio nella struttura atomica ima eccedenza di lacune. Nel secondo caso avremo un semiconduttore drogato di tipo n in cui le impurità hanno introdotto un eccesso di elettroni, in entrambi i casi avremo dei semiconduttori estrinseci. Il diodo è un elemento fondamentale dei sistemi fotovoltaici nato dall'unione di due elementi uno di tipo n e l'altro di tipo p, questi si ottengono facendo variare il drogaggio con la profondità. L'elemento di tipo n è più superficiale, quello di tipo p più profondo. In questo caso si prevede l'utilizzo di un diodo di silicio drogato con atomi di fosforo e boro. Il comportamento del diodo è fìsso in quanto la configurazione atomica permette il flusso di elettroni solamente in una direzione, dal polo negativo a quello positivo, il flusso opposto trova qualche resistenza. La parte n è la parte negativa del diodo, la parte p è la parte positiva del diodo. Tuttavia se il diodo viene investito da ima corrente di elevata intensità nel verso inibito l'effetto " a valanga " da essa prodotto rompe i legami del cristallo di silicio che modifica la struttura atomica dell'atomo dell'elemento permettendo quindi il passaggio di corrente. Il comportamento dipenderà dalla quantità dei droganti utilizzati in superficie e anche dal valore di tensione che di volta in volta viene applicato ai morsetti. L'effetto fotovoltaico consiste nella capacità di trasferimento di energia da parte dei fotoni agli atomi del pannello investiti dal fascio di luce e quindi gli elettroni guadagnando energia diventano capaci di staccarsi dall'orbitale di valenza. La migrazione degli elettroni genera in posizioni diverse e istanti diversi coppie di lacuna-elettrone, sulla giunzione p-n viene così a generarsi un campo elettrico che cattura questi elettroni liberi e li trasporta dando origine ad una corrente elettrica con una ben precisa direzione. Il rendimento dell'effetto fotovoltaico è fortemente dipendente dalla temperatura, dalla frequenza dell'onda elettromagnetica. Lo spettro AM corrispondente alla radiazione solare al di fuori dell'atmosfera terrestre è simile allo spettro di emulsione di corpo nero alla temperatura di 5.760 °K, 5487 °C. Solo determinate lunghezze d'onda hanno energia tale da

stimolare la genesi di una coppia lacuna elettrone, si va dai 0,35 pm,

lunghezza d'onda del visibile, fino a 10 μτη infrarosso, cadendo neirintervallo dove si concentra la massima intensità dell'energia solare utile

alla tecnologia fotovoltaica, 0,5 pm - 0,55 pm, radiazione solare spettrale di riferimento, norma CEI EN 60904-3. Nella pratica, il valore di radiazione

massima al suolo viene considerato pari a 1.000 W/m2, con 25 °C ± 2 °C in

condizioni di prova normalizzate (STC). Secondo la ben nota equazione di

Planck:

Εψ(λ) = energia trasportata dai fotoni in funzione della lunghezza d'onda;

h = costante di Planck pari a 6,626* 10~34Js;

v = velocità della luce;

λ = lunghezza d'onda del fotone espressa in pm.

Le altre lunghezze d'onda creano solo effetti termici al diodo, il quale si

riscalda ma non genera coppie lacuna-elettrone. Alcune lunghezze d’onda

abbassano il rendimento della cella, perché non tutte le coppie lacuna

elettrone vengono catturate dal campo elettrico ma si ricombinano

andando a comporre la struttura cristallina e creando resistenze parassite

che sono inevitabilmente presenti e dissipano parte dell’energia elettrica

in calore. In ambienti caldi i materiali tendono ad affaticarsi alterando il

loro comportamento.

3. Il boro

Il boro è l'elemento chimico del gruppo IIIA della tavola periodica degli elementi che ha come simbolo B e come numero atomico 5. È un metalloide trivalente, si trova abbondantemente nel borace, nell'acqua marina si trova sotto forma di acido borico (H3BO3). Ci sono due allotropi del boro, il boro amorfo è una polvere marrone, il boro metallico è nero. La forma metallica è dura (9,3 sulla scala di Mohs) ed è una cattiva conduttrice a temperatura ambiente. Il boro non si trova libero in natura. Peso atomico = 10,811 amu; Raggio atomico(calc) 85pm; Raggio covalente 82pm; Configurazione elettronica [He]2s<2>2p<1>; Stato di ossidazione 3 lievemente acido; Struttura cristallina romboedrica.

4. Il fosforo

Fosforo è un elemento non metallico, reattivo, di simbolo P, numero atomico 15 e peso atomico 30,974; appartiene al gruppo VB (o 15) della tavola periodica. Configurazione elettronica 3s<2>3p<3’>Il fosforo esiste in tre forme allotropiche nettamente differenti, il fosforo comune (o bianco), il fosforo rosso e il fosforo nero. Se perfettamente puro, il fosforo comune è bianco, ma si ossida quando viene esposto alfaria, ingiallendo rapidamente. È un solido cristallino, translucido, di aspetto e consistenza cerosa, fuma leggermente se esposto all'aria. Si infiamma spontaneamente alla temperatura di 35 °C, e per questo motivo deve essere conservato in acqua. Molto diffuso in natura, il fosforo non si trova allo stato libero, ma perlopiù sotto forma di fosfato, come nella fosforite e nell'apatite.

5. Il ribbon

Il ribbon è una piattina di rame stagnato che viene utilizzata nelle celle fotovoltaiche per creare il collegamento elettrico in serie tra i vari pezzi di silicio.

6. Il materiale isolante

Il materiale isolante di natura plastica è necessario per separare le parti dell'apparato idraulicamente ed elettricamente.

7. L 'acqua

L'acqua come noto è l'elemento che ci permette di vivere, è incolore inodore e insapore, di formula 3⁄40, occupa la maggior parte della superficie terrestre ed è presente in natura allo stato solido, liquido e gassoso. Essa si comporta come un dipolo elettrico anche se elettricamente neutro le cariche di segno opposto sono concentrate agli estremi. Tra le molecole di acqua e quelle vicine si instaurano quindi forze di natura elettrostatica.

L'invezione di cui tratta tale documento è rappresentata nelle tavola le 2 allegata e di cui riportiamo copia nella figura 1.

La macchina è costituita da due vaschette separate tra di loro, di materiale plastico bianco, plastico perchè lo scopo è isolare, bianco per sfruttare tutte le onde elettromagnetiche che arrivano. Sul fondo delle due vaschette sono alloggiate almeno quattro fasce di ribbon, al di sopra viene distribuito silicio policristallino, di tipo n-p, frantumato e disconnesso, cioè come scaglie di minerale ben distribuito, drogato con boro e fosforo. All’intemo di una vaschetta viene versata ima soluzione di acqua normale di rubinetto e acido borico, le proporzioni sono 1:10, nel caso in esame sono stati necessari per 69 cm<3>di acqua un cucchiaino da caffè raso di acido borico. Nella seconda vaschetta viene versata una soluzione di acqua e fosforo chelato 20%, in questo caso le proporzioni sono 1:9, nella pratica per 69 cm .di acqua un cucchiaino colmo di fosforo. Il fosforo chelato è composto di fosfato di ammonio, proteine del latte idrolizzate ed enzimi proteolici. L'acido borico e il fosforo chelato sono facilmente reperibili, non creano problemi alla salute. Con le fascette di ribbon si crea un collegamento elettrico tra le due vaschette. Al di sopra di ciascuna vaschetta, sulla superficie del liquido, si dispone un palmellino di plexiglass trasparente, necessario per migliorare il rendimento. E’ necessario tuttavia che il sistema non si riscaldi troppo altrimenti il funzionamento ne risulta compromesso. Con un multimetro digitale, ho potuto osservare, dopo aver esposto il sistema alla luce, che si instaura una tensione variabile a seconda della radiazione elettromagnetica. In condizioni di cielo sereno la tensione ha superato di molto in alcuni momenti i 0,6V(Volt) in corrente continua. Con le nubi la tensione scende fino ad un minimo di 0,2V. La macchina funziona anche se lo si espone alla luce delle normali lampadine per illuminazione degli ambienti. Quando le vaschette sono esposte alla luce artificiale funziona ugualmente la differenza di potenziale misurata è 0.2V. La polarità delle due vaschette cambia in funzione della migrazione degli elettroni, infatti ho osservato che la vaschetta con l'acido borico a volte funziona da anodo a volte da catodo, viceversa per la vaschetta con il fosforo. Quando la luce è bianca, (mezzogiorno, giornata soleggiata), la vaschetta con l'acido borico funziona da polo negativo altrimenti da polo positivo. Il contrario avviene per la vaschetta con il fosforo.

Claims

SOLUZIONE FOTOVOLTAICA RIVENDICAZIONI deil'INVENZIONE INDUSTRIALE avente per TITOLO: “SOLUZIONE FOTOVOLTAICA" Rivendicazioni In sostanza questa è una macchina dove viene sfruttato il processo fotovoltaico per innescare la mobilità degli elettroni, ma poi si tiene in considerazione l’effetto dello scambio ionico dovuto alla presenza delle soluzioni di acqua e acido borico nella prima vaschetta e, acqua e fosforo nelle seconda vaschetta. Ho provato anche a variare le quantità di soluto rispetto a quelle riportate sopra nelle soluzioni ma l'effetto non è stato positivo. Il massimo rendimento si è avuto con le proporzioni sopra riportate. La macchina può essere utilizzata in ambito elettrico. 1-La macchina per la creazione di una differenza di potenziale elettrico, è caratterizzata dal fatto che ; 2-II silicio drogato con fosforo e boro di tipo n-p, utilizzato normalmente nelle celle fotovoltaiche, è frantumato e disconnesso, ma distribuito uniformemente nelle due vaschette; 3-11 silicio nella prima vaschetta è immerso in una soluzione di acqua e acido borico; 4-11 silicio nella seconda vaschetta è immerso in una soluzione di acqua e fosforo chelato; 5-Le normali celle fotovoltaiche al silicio misurano una tensione massima di 0,5V, questo nuovo stato di aggregazione migliora la differenza di potenziale misurata rispetto ad una cella di dimensioni analoghe.