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Celle solari super efficienti grazie al sistema multi-giunzione
L’unione di più strati sottilissimi di semiconduttori come giunzione per le celle solari ha permesso di raggiungere il record di efficienza del 34%
Cresce ancora una volta il record di efficienza raggiunto dalle celle monolitiche a tripla giunzione realizzate secondo gli studi dell’ISE Fraunhofer Institute per i sistemi ad energia solare, celle speciali che associano silicio a materiali semiconduttori III-V. Grazie all’associazione di diversi materiali, con relative capacità di assorbimento, le celle fotovoltaiche multi-giunzione ottimizzano l’assorbimento dell’energia contenuta nello spettro solare. Le nuove celle sono di due tipi, con relativi record di efficienza: le celle multi-giunzione monolitiche realizzate mediante wafer bonding hanno ottenuto un record di 34,1% di efficienza, mentre le celle con strati semiconduttori depositati direttamente sul silicio hanno realizzato un record del 24,3%.
“Le celle solari multi-giunzione monolitiche fanno ben sperare per le future possibilità di sviluppo delle celle solari al silicio, prodotti che oggi dominano sul mercato perché possono portare a valori di efficienza di conversione della luce solare in energia elettrica significativamente più alti. Riteniamo di poter raggiungere valori di efficienza del 36%, che supererebbero sostanzialmente il limite fisico del 29,4% offerto da una cella solare al silicio puro ", spiega il dott. Andreas Bett, direttore dell'Istituto Fraunhofer ISE. L'aumento dell’efficienza permette di ottenere una maggiore produzione per superficie, con un conseguente risparmio del numero di celle solari impiegate nei moduli, e dei relativi materiali di costruzione, un effetto non trascurabile considerando la complessiva esigenza di sostenibilità del fotovoltaico.
La produzione di celle fotovoltaiche a giunzione multipla prevede il deposito di strati sottili (pochi micrometri) di semiconduttori III-V su una cella solare al silicio. I diversi strati assorbono la luce da diverse gamme dello spettro, sfruttando in modo ottimale i raggi del sole: fosfuro di indio e gallio assorbono le radiazioni nell'intervallo 300–660 nm (luce visibile), arsenuro di gallio di alluminio nell'intervallo 600–840 nm (luce infrarossa vicina) e il silicio nell'intervallo 800–1200 nm (luce a lunghezza d'onda lunga).
Ciò, comprensibilmente, permette di ottenere efficienze significativamente maggiori rispetto a quelle ottenibili con le celle solari al silicio a giunzione singola. Anche le nuove celle multi-giunzione, come quelle più tradizionali, hanno un contatto sui lati anteriore e posteriore, che ne permette un’integrazione semplice nei moduli solari.
Il processo di incollaggio diretto dei wafer è una tecnica già ben consolidata nel settore della microelettronica, e oggi, grazie alla ricerca degli studiosi dell’ISE Fraunhofer viene impiegato anche nel settore delle rinnovabili per produrre celle solari monolitiche a più giunzioni.
Per fare ciò vengono dapprima depositati degli strati III-V su un substrato di arsenuro di gallio, dopo di che viene utilizzato un fascio ionico per disossidare le superfici in una camera ad alto vuoto, prima che queste componenti vengano premute insieme sotto pressione. Gli atomi presenti negli strati semiconduttori III-V a questo punto si legano con il silicio, formando una singola unità.
In seguito, dopo essersi accatastati l'uno sull'altro, i composti GaInP, AlGaA e le sotto-celle di silicio risultano interconnessi tramite diodi tunnel. Infine il substrato di GaAs viene rimosso mediante chimica per via umida, un contatto nano-strutturato viene applicato sul lato posteriore, mentre sul lato anteriore vengono applicati un rivestimento antiriflesso e una griglia di contatto.
“Rispetto ai primi risultati, sono state migliorate le condizioni di deposizione e per la sottocella più alta è stata introdotta una nuova struttura cellulare fatta di fosfuro di indio e gallio, che permette di ottenere una conversione della luce visibile ancora migliore di prima. Ottenendo un'efficienza del 34,1%, la cella dimostra l'immenso potenziale di questa tecnologia ", afferma il Dott. Frank Dimroth, capo del Department III-V Photovoltaics and Concentrator Technology presso il Fraunhofer ISE.
Le celle realizzate in questo modo sorpassano quindi il precedente record mondiale che, per questa categoria di celle, era del 33,3% di efficienza.
Un’alternativa più semplice, seppur meno efficiente, al metodo sopra descritto per la creazione di celle solari multi-giunzione, prevede il deposito diretto degli strati di semiconduttore III-V (GaInP / GaAs) sulle celle solari in silicio Questa procedura è più vantaggiosa perché prevede molti meno passaggi intermedi rispetto a quelli necessari per l'incollaggio dei wafer, ed evita inoltre di dover ricorrere all'uso di costosi substrati GaAs. Per questo motivo si configura come una metodologia più vantaggiosa in caso di eventuale implementazione industriale.
Evitare alcuni delicati passaggi non significa però aver a che fare con una tecnica semplice o banale: la struttura atomica della cella deve essere accuratamente controllata così da poter garantire che gli atomi di gallio e fosforo siano disposti nei siti reticolari corretti rispetto all'interfaccia con il materiale siliconico. Eventuali difetti negli strati dei semiconduttori possono anche avere un effetto negativo sull'efficienza delle celle solari.
"In relazione a questa problematica siamo riusciti a fare grandi progressi: l'attuale generazione di tre sotto-celle è a malapena colpita da questi difetti, per questo siamo riusciti a ottenere per la prima volta un'efficienza del 24,3% per questa tecnologia, un record mondiale ", spiega il Dr. Frank Dimroth. “Il potenziale può essere paragonato a quello delle cellule legate da wafer. Nei prossimi anni continueremo a lavorare su questo tema per poter arrivare a questa conclusione."
Nell’approcciarsi alla produzione in serie delle celle fotovoltaiche monolitiche multi-giunzione, i ricercatori del Fraunhofer ISE ritengono i problemi più consistenti riguarderanno in particolare l’economicità di processo di fabbricazione degli strati semiconduttori III-V. Attualmente l'approccio più promettente è quello di crescita diretta sul silicio, ma i ricercatori stanno comunque studiando altri metodi nei quali i substrati di GaAs possano essere riciclati più volte dopo che i semiconduttori sono stati trasferiti al silicio. Per produrre industrialmente questa tipologia di celle in modo economico e vantaggioso sarà necessario sviluppare nuove macchine di deposizione che abbiano una maggiore produttività e area di deposizione.
“Le celle solari multi-giunzione monolitiche fanno ben sperare per le future possibilità di sviluppo delle celle solari al silicio, prodotti che oggi dominano sul mercato perché possono portare a valori di efficienza di conversione della luce solare in energia elettrica significativamente più alti. Riteniamo di poter raggiungere valori di efficienza del 36%, che supererebbero sostanzialmente il limite fisico del 29,4% offerto da una cella solare al silicio puro ", spiega il dott. Andreas Bett, direttore dell'Istituto Fraunhofer ISE. L'aumento dell’efficienza permette di ottenere una maggiore produzione per superficie, con un conseguente risparmio del numero di celle solari impiegate nei moduli, e dei relativi materiali di costruzione, un effetto non trascurabile considerando la complessiva esigenza di sostenibilità del fotovoltaico.
La produzione di celle fotovoltaiche a giunzione multipla prevede il deposito di strati sottili (pochi micrometri) di semiconduttori III-V su una cella solare al silicio. I diversi strati assorbono la luce da diverse gamme dello spettro, sfruttando in modo ottimale i raggi del sole: fosfuro di indio e gallio assorbono le radiazioni nell'intervallo 300–660 nm (luce visibile), arsenuro di gallio di alluminio nell'intervallo 600–840 nm (luce infrarossa vicina) e il silicio nell'intervallo 800–1200 nm (luce a lunghezza d'onda lunga).
Ciò, comprensibilmente, permette di ottenere efficienze significativamente maggiori rispetto a quelle ottenibili con le celle solari al silicio a giunzione singola. Anche le nuove celle multi-giunzione, come quelle più tradizionali, hanno un contatto sui lati anteriore e posteriore, che ne permette un’integrazione semplice nei moduli solari.
Efficienza del 34,1% con la tecnologia multi-giunzione
Il processo di incollaggio diretto dei wafer è una tecnica già ben consolidata nel settore della microelettronica, e oggi, grazie alla ricerca degli studiosi dell’ISE Fraunhofer viene impiegato anche nel settore delle rinnovabili per produrre celle solari monolitiche a più giunzioni.
Per fare ciò vengono dapprima depositati degli strati III-V su un substrato di arsenuro di gallio, dopo di che viene utilizzato un fascio ionico per disossidare le superfici in una camera ad alto vuoto, prima che queste componenti vengano premute insieme sotto pressione. Gli atomi presenti negli strati semiconduttori III-V a questo punto si legano con il silicio, formando una singola unità.
In seguito, dopo essersi accatastati l'uno sull'altro, i composti GaInP, AlGaA e le sotto-celle di silicio risultano interconnessi tramite diodi tunnel. Infine il substrato di GaAs viene rimosso mediante chimica per via umida, un contatto nano-strutturato viene applicato sul lato posteriore, mentre sul lato anteriore vengono applicati un rivestimento antiriflesso e una griglia di contatto.
“Rispetto ai primi risultati, sono state migliorate le condizioni di deposizione e per la sottocella più alta è stata introdotta una nuova struttura cellulare fatta di fosfuro di indio e gallio, che permette di ottenere una conversione della luce visibile ancora migliore di prima. Ottenendo un'efficienza del 34,1%, la cella dimostra l'immenso potenziale di questa tecnologia ", afferma il Dott. Frank Dimroth, capo del Department III-V Photovoltaics and Concentrator Technology presso il Fraunhofer ISE.
Le celle realizzate in questo modo sorpassano quindi il precedente record mondiale che, per questa categoria di celle, era del 33,3% di efficienza.
Cella fotovoltaica multi-giunzione con strati semiconduttori depositati direttamente: efficienza del 24,3%
Un’alternativa più semplice, seppur meno efficiente, al metodo sopra descritto per la creazione di celle solari multi-giunzione, prevede il deposito diretto degli strati di semiconduttore III-V (GaInP / GaAs) sulle celle solari in silicio Questa procedura è più vantaggiosa perché prevede molti meno passaggi intermedi rispetto a quelli necessari per l'incollaggio dei wafer, ed evita inoltre di dover ricorrere all'uso di costosi substrati GaAs. Per questo motivo si configura come una metodologia più vantaggiosa in caso di eventuale implementazione industriale.
Evitare alcuni delicati passaggi non significa però aver a che fare con una tecnica semplice o banale: la struttura atomica della cella deve essere accuratamente controllata così da poter garantire che gli atomi di gallio e fosforo siano disposti nei siti reticolari corretti rispetto all'interfaccia con il materiale siliconico. Eventuali difetti negli strati dei semiconduttori possono anche avere un effetto negativo sull'efficienza delle celle solari.
"In relazione a questa problematica siamo riusciti a fare grandi progressi: l'attuale generazione di tre sotto-celle è a malapena colpita da questi difetti, per questo siamo riusciti a ottenere per la prima volta un'efficienza del 24,3% per questa tecnologia, un record mondiale ", spiega il Dr. Frank Dimroth. “Il potenziale può essere paragonato a quello delle cellule legate da wafer. Nei prossimi anni continueremo a lavorare su questo tema per poter arrivare a questa conclusione."
Nell’approcciarsi alla produzione in serie delle celle fotovoltaiche monolitiche multi-giunzione, i ricercatori del Fraunhofer ISE ritengono i problemi più consistenti riguarderanno in particolare l’economicità di processo di fabbricazione degli strati semiconduttori III-V. Attualmente l'approccio più promettente è quello di crescita diretta sul silicio, ma i ricercatori stanno comunque studiando altri metodi nei quali i substrati di GaAs possano essere riciclati più volte dopo che i semiconduttori sono stati trasferiti al silicio. Per produrre industrialmente questa tipologia di celle in modo economico e vantaggioso sarà necessario sviluppare nuove macchine di deposizione che abbiano una maggiore produttività e area di deposizione.
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