La necessità di ottemperare ad un sempre più oppressivo fabbisogno energetico, accompagnata ad una progressiva sensibilizzazione alle tematiche ambientaliste, hanno indotto l’uomo a voler sfruttare questa grande risorsa donata dalla nostra stella, il sole, per produrre corrente elettrica. Gli impianti fotovoltaici sono costituiti essenzialmente da una serie di pannelli recanti sulla propria superficie moltissime celle fotovoltaiche.

Il materiale più utilizzato per la realizzazione di questi dispositivi è il Silicio.

Il silicio negli impianti fotovoltaici e nelle celle fotovoltaiche

Il silicio è un semiconduttore, ossia gli elettroni di valenza (che si trovano sull’orbitale più esterno e gli unici a formare legami atomici) non sono eccessivamente mobili, come accade nei materiali conduttori, né tantomeno bloccati, come avviene nei materiali isolanti, nella cosiddetta “banda di valenza”.

Nell’atomo di silicio, la quantità di energia necessaria ad accelerare gli elettroni della banda di valenza è molto piccola, pertanto le particelle in questione possono passare nella banda di conduzione solo nel caso di assorbimento d’energia proveniente dall’esterno, come quella fornita dalla radiazione solare che, attraverso l’effetto fotoelettrico, è in grado di trasformare un materiale semiconduttore come il silicio, in un materiale conduttore.

Gli elettroni, una volta scalzati dalla loro banda di valenza, vengono convogliati in apposite griglie metalliche incastonate sulla superficie del pannello, generando corrente elettrica continua, che per poter essere utilizzata necessita di essere alternata nell’apposito inverter che ha la funzione di rendere la corrente fruibile con la frequenza di utenza (50Hz).

La luce: onda o particella?

Prima di sviluppare il principio secondo cui è possibile produrre corrente elettrica dalle onde luminose, non è possibile, a questo punto, evitare le domande: “Che cos’è la luce?“, “Di cosa è composta?”.

L’esperienza quotidiana ci suggerisce che la luce si propaga in linea retta; si pensi, ad esempio, ad un raggio luminoso che penetra in una stanza buia attraverso una fenditura nel muro. Dall’osservazione notiamo, infatti, che il raggio è rettilineo, mentre se prendessimo uno specchio per deviarne la direzione, noteremmo anche in questo caso un andamento rettilineo, poiché l’angolo di incidenza del raggio luminoso sulla superficie è uguale a quello di riflessione.

A partire dalla metà del Seicento, le teorie fisiche sui fenomeni luminosi erano diverse, pertanto, sono stati necessari ben due secoli per dimostrare l’effettiva natura della luce, ponendo in tal modo fine a molte delle controversie.

Le teorie della luce

Il dibattito era incentrato su due modelli postulati negli stessi anni che, descrivendo perfettamente alcuni fenomeni propri della luce anche se in maniera differente, non sembravano trovare un punto di incontro, quindi una svolta.

Il modello corpuscolare descriveva la luce come un flusso di particelle microscopiche (i cosiddetti corpuscoli), emessi in forma CONTINUA da opportune sorgenti luminose. Si trattava di flussi rettilinei e in grado di attraversare alcune superfici (quelle trasparenti) mentre “rimbalzavano” sui materiali opachi alla luce, tanto da impedirne l’attraversamento.

Il modello ondulatorio, d’altra parte, descriveva la luce come un’onda la cui propagazione avveniva in maniera analoga alle onde elastiche (come quelle che diffondono un sisma dal proprio punto di origine).

La luce è intesa quindi come trasferimento di energia e non di materia (corpuscoli), tanto da essere definita “energia radiante“.

Newton e Huygens

Tra i sostenitori della teoria corpuscolare vi era Isaac Newton (1642-1727), secondo cui i fenomeni luminosi si riducono ad un mero movimento di particelle con le proprietà di qualsiasi punto materiale (si pensi al moto delle biglie sul tappetino del tavolo da biliardo) che, urtando la retina dell’occhio, stimolano il senso della vista.

Il modello ondulatorio fu sostenuto da Christiaan Huygens (1629-1695), uno scienziato olandese contemporaneo a Newton, il quale descriveva la luce non più come flusso di particelle interagenti grazie a continui urti, bensì come onde circolari.

Per comprendere il fenomeno si pensi, ad esempio, ad un sasso che precipita in un pozzo: le onde circolari che si sollevano ritmicamente sulla superficie dell’acqua, propagandosi in direzione radiale, si allontanano dalla sorgente.

La svolta: la teoria dei quanti

Le varie teorie descritte risultavano complementari per molti aspetti; mentre un modello riusciva a descrivere un fenomeno, l’altro ne approfondiva altri versanti.

Max Planck (1858-1947) avanzò una ipotesi rivoluzionaria, secondo cui l’energia radiante, precedentemente introdotta, non veniva emessa in forma continua, ma per piccolissime quantità fisiche (discontinue), dette quanti.

L’energia associata a un quanto con frequenza ν è pari a E = hν, dove h è la costante di Planck, pari a 6.625x Js.

Per capire la differenza tra emissione continua ed emissione discontinua, si può pensare ad un particolare molto comune nella vita di ogni giorno: il rubinetto aperto di un lavandino fornisce acqua in maniera continua mentre le bottiglie forniscono, invece, acqua per quantità discrete pari al volume della bottiglia stessa.

Il concetto di quantizzazione può essere descritto da un altro esempio altrettanto comune: una palla può rotolare verso il basso o su un piano inclinato oppure rimbalzare lungo una scala. Nel primo caso la sfera ha un moto continuo, mentre nel secondo, gradino dopo gradino, ha un moto discontinuo, cioè avviene per salti in cui ogni scalino rappresenta un quanto di energia.

L’effetto fotoelettrico: produrre corrente elettrica dalla luce

Ai tempi di Planck, si conosceva già da tempo il fenomeno secondo cui sottoponendo una lamina di metallo ad una certa radiazione luminosa di determinata frequenza, essa si caricava elettricamente con carica positiva, quindi emetteva elettroni, cioè corrente elettrica (opportunamente rilevabile da strumenti come il Galvanometro, nome che deriva dal nome di Luigi Galvani).

Gli elettroni sono trattenuti all’interno del metallo da una certa energia, quindi per espellerli è necessario investire la lamina metallica da una radiazione luminosa avente energia E = hν, pari all’energia che trattiene le particelle all’interno del materiale.

Per comprendere meglio il fenomeno, si immagini di dover calciare un pallone oltre una staccionata: se l’energia impressa al corpo è troppo bassa, l’oggetto colpirà l’ostacolo e tornerà indietro, ma se il bersaglio venisse colpito con la forza necessaria, solo a quel punto, il pallone riuscirebbe a superare la barriera.

Nell’effetto fotoelettrico, l’energia necessaria E è proporzionale alla frequenza della radiazione luminosa incidente la lamina; se si supera la frequenza critica di radiazione (propria del materiale colpito dalla luce), si raggiunge la condizione sufficiente per cui si riesce a “scalzare” gli elettroni dalla lamina e quindi produrre corrente elettrica (su vasta scala).

Einstein e i fotoni

Queste osservazioni indussero Einstein a confermare l’ipotesi secondo cui la luce fosse sia un’onda elettromagnetica (descritta dalle equazioni di Maxwell) ma che avesse anche una natura corpuscolare. Solo le particelle cariche di energia, infatti, sarebbero in grado non solo di spostare altre particelle (in questo caso elettroni), ma di impartire ad esse una accelerazione tanto maggiore quanto più intensa è la radiazione.

A queste particelle di luce venne dato il nome di fotoni e la scoperta dell’effetto fotoelettrico (principio alla base dei comuni impianti fotovoltaici) valse ad Einstein il premio Nobel del 1921.

In natura, il processo che vede il trasferimento di calore da un corpo più caldo a un corpo più freddo, avviene spontaneamente e senza dispendio di energia esterna. Il trasferimento in questione, comporta una cessione di calore (quindi di energia in transito) ed è tanto più rapido e marcato quanto più elevata è la differenza di temperatura tra i due corpi, arrestandosi, infine, quando si raggiunge l’equilibrio termico, ossia la parità di temperatura. La comprensione del processo indicato fin qui, risulta immediatamente più limpida nella considerazione dell’enunciato esposto dal fisico tedesco Rudolf Clausius (1822-1888), il quale, nella considerazione di altri principi formulanti la medesima considerazione, esprime l’inesorabile aumento dell’Entropia, quale grandezza indicante il grado di “disordine” molecolare dell’Universo. L’enunciato recita:

E’ impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia far passare calore da un corpo più freddo ad uno più caldo.

L’espressione “unico risultato” risulta essenziale per la comprensione del meccanismo regolante il funzionamento della macchina frigorifera.

Come funziona il frigorifero

Un frigorifero, infatti, preleva calore da un recipiente (il comparto interno isolato termicamente) che è freddo e lo riversa nell’ambiente esterno circostante, caratterizzato da una temperatura superiore.

A questo punto è opportuno sottolineare che l’ultimo processo descritto NON esprime l’unico risultato della trasformazione, poiché per garantire il funzionamento del frigorifero è stata fornita energia elettrica dall’esterno, con il conseguente trasferimento di energia, quindi di calore, avvenuto in maniera tutt’altro che spontanea.

Le macchine frigorifere sono sistemi in cui il fluido evolvente, ossia la sostanza che subisce le trasformazioni, è chiamato refrigerante.

Esistono, a parità sostanziale di proprietà fisiche, diversi tipi di refrigerante: in passato il fluido evolvente più diffuso era “Freon“; impiegato nella costruzione dei frigoriferi sin dal 1970, fu bandito poiché inquinante e particolarmente aggressivo nei confronti dell’ozono atmosferico, e per tale motivo soppiantato dal meno dannoso R134a (CH2FCF3).

Il ciclo termodinamico

Nel frigorifero il R134a subisce una successione ciclica di trasformazioni all’interno dei diversi componenti dell’impianto, in modo che, una volta ottenuto l’effetto utile (in questo caso il raffreddamento progressivo del contenuto del frigorifero), il refrigerante in questione ritorni alle condizioni iniziali, compiendo, di fatti, il cosiddetto ciclo termodinamico.

Un frigorifero è costituito, in sostanza, da:

1. un ambiente chiuso che deve essere raffreddato
2. un tubicino nel quale fluisce il refrigerante,
3. un compressore alimentato ad energia elettrica
4. una valvola di laminazione, applicata precisamente tra condensatore e evaporatore.

Il compressore volumetrico, costituito da uno stantuffo che scorre all’interno di un cilindro, comprime il gas aumentandone, oltre che la temperatura, la pressione, scorrendo in un secondo momento all’interno del condensatore, uno scambiatore di calore dove il tubicino in cui fluisce il refrigerante è avvolto su se stesso a serpentino (questi multipli ripiegamenti del condotto massimizzano lo scambio termico, quindi la cessione di calore all’ambiente esterno).

Una volta completato il passaggio all’interno del condensatore, il fluido, che prima era gas, ormai raffreddato diviene liquido saturo (ossia senza alcuna traccia della fase vapore).

Il refrigerante, in questa fase liquida, scorre attraverso la valvola di laminazione “L” che costituisce, semplicemente, una strozzatura del condotto in cui fluisce il liquido; a causa della repentina riduzione della sezione di passaggio, la pressione alla quale si trova il liquido, cala improvvisamente e proprio a causa delle particolari proprietà fisiche del refrigerante, questa variazione è in grado d’indurre il processo di evaporazione.

Questa trasformazione, attivata a valle della valvola di laminazione, procede e si completa all’interno dell’evaporatore posto all’interno del frigorifero, ossia l’ambiente da raffreddare; il processo di evaporazione del refrigerante comporta una sottrazione di calore all’interno dello scomparto del frigorifero, che a questo punto risulta quindi più freddo dell’ambiente esterno.

Una volta completato il passaggio di fase, il vapore, ormai saturo (ossia privo di tracce di liquido) passa all’interno del compressore dove è portato ad una pressione più alta, questo permette il ripristino delle condizioni iniziali, concludendo, dunque, il ciclo termodinamico.

La macchina frigorifera per funzionare richiede un certo dispendio di energia elettrica tanto maggiore quanto più la temperatura esterna al frigorifero è elevata. Per questo motivo, paradossalmente, il rendimento della macchina è più basso in estate, giacché la rapidità con cui il fluido refrigerante cede calore all’ambiente circostante è minore che in inverno. Questo comporta un sensibile aumento dei consumi e quindi una lievitazione dei costi in bolletta proprio nel periodo dell’anno in cui il frigorifero è indispensabile. Per ottimizzare i consumi è inoltre importante conservare e disporre correttamente i cibi nel frigorifero.

Le differenze tra diamante e grafite a livello fisico e chimico

Tutte le forme allotropiche del carbonio (diamante incluso) rientrano nella categoria dei solidi covalenti, ossia quei materiali caratterizzati microscopicamente dalla presenza di cristalli, all’interno dei quali è possibile osservare dei siti popolati da atomi legati gli uni agli altri attraverso l’intenso legame covalente; tale tipo di legame atomico è il più forte esistente ed ha la particolarità di non essere di natura elettrostatica, come invece avviene nel caso del legame ionico tra sodio (Na) e cloro(Cl) nel composto NaCl (sale da cucina).

L’energia necessaria a rompere i legami, cioè le forze esistenti tra gli atomi, risulta essere molto elevata, tant’è che materiali come il diamante presentano un’elevatissima temperatura di fusione e una straordinaria durezza, tanto da occupare, con quattro volte la durezza assoluta del corindone (altro minerale), il primo posto nella scala di Rosiwal (evoluzione della scala di Mohs, utilizzata per identificare la durezza di un minerale).

Resta da chiedersi perché diamante e grafite, entrambi costituiti da solo Carbonio, siano così differenti non solo nell’aspetto, ma soprattutto in termini di proprietà meccaniche.

Entrambi i solidi (diamante e grafite) si differenziano principalmente nel tipo di legame covalente e nella disposizione di atomi all’interno della struttura cristallina: nel cristallo di diamante, il carbonio è disposto lungo i quattro vertici di un tetraedro e TUTTI gli elettroni sono impiegati nel formare dei legami, mentre nella grafite gli atomi di carbonio sono disposti in strati di anelli esagonali e NON tutti gli elettroni formano lo stesso tipo di legame, ma vi è una coppia di elettroni in grado di formare un debole legame in direzione perpendicolare agli strati reticolari.

Questo debole legame tra gli strati di atomi, in quella conformazione particolarmente facile da individuare grazie alla caratteristica forma esagonale, giustifica l’estrema facilità con cui la grafite si sfalda (si pensi alla mina della matita, dove scrivendo non si fa altro che lasciare strati di grafite sul foglio), mentre il diamante è utilizzato per la sua proprietà abrasive, in ogni misura derivanti dall’eccessiva durezza: per sfaccettare un diamante, infatti, è necessario usare un altro diamante.

Come nascono i diamanti

Tuttavia, la grafite può trasformarsi in diamante in determinate condizioni di temperatura e pressione, questa trasformazione vede il coinvolgimento di un processo che avviene naturalmente all’interno del mantello terrestre, dove tali grandezze raggiungono valori estremi. Una volta formatosi nelle profondità del nostro pianeta, il diamante, riaffiora nella crosta terreste grazie ai movimenti tellurici che avvengono nel corso di millenni.

E’ inoltre possibile la creazione di diamanti artificiali, ma questi ultimi sono utilizzati specialmente per le lavorazioni degli acciai particolarmente tenaci nelle macchine utensili (come tornitura o lucidatura).

E’ dunque la rarità del diamante, la sua struttura atomica, a definirne la preziosità e pertanto il maggior valore in termini economici sul mercato mondiale. Gioiellieri e orefici – che adornano collier e parure – lo sanno bene.