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Nuovo record nelle celle fotovoltaiche in tandem al silicio

La ricerca di Fraunhofer ISE raggiunge l’efficienza del 25,9%.

15 Agosto 2020

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Nel campo del fotovoltaico sono in corso intense ricerche per migliorare continuamente l’efficienza delle celle solari e l’attenzione si concentra sempre più sulle celle fotovoltaiche in tandem al silicio, dove i materiali che le compongono ad alte prestazioni sono assemblati in varie combinazioni per utilizzare lo spettro solare in modo ancora più efficiente quando si converte la luce in energia elettrica.

La ricerca di Fraunhofer ISE ha raggiunto una nuova efficienza record del 25,9% per una cella solare tandem III-V/Si coltivata direttamente su silicio. Questa cella è stata prodotta per la prima volta su un substrato di silicio a basso costo, segnando un’importante pietra miliare sulla strada per soluzioni economiche per il fotovoltaico tandem.

Il Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE lavora da molti anni su celle solari multigiunzione, in cui due o tre sottocelle impilate l’una sull’altra assorbono porzioni diverse dello spettro solare e lo convertono in elettricità. Il silicio è un assorbitore adatto per la parte infrarossa dello spettro. Diversi strati micrometrici di semiconduttori composti III-V costituiti da elementi dei gruppi III e V della tavola periodica sono depositati sopra il silicio. Queste sottocelle convertono in modo efficiente la luce dalle parti ultraviolette, visibili e del vicino infrarosso dello spettro in elettricità.

Le celle solari a semiconduttore III-V su germanio sono spesso utilizzate nello spazio così come nei concentratori fotovoltaici. Attraverso lo sviluppo di processi migliori e più convenienti in combinazione con l’uso del silicio come sottocella inferiore, la tecnologia delle celle fotovoltaiche in tandem può diventare accessibile per un ampio spettro di utilizzi in quasi tutte le applicazioni fotovoltaiche del futuro, anche se c’è ancora molto lavoro da fare prima che questo obiettivo possa essere raggiunto a livello commerciale.

Esistono diversi approcci per produrre combinazioni di celle solari III-V e al silicio. Ad esempio, Fraunhofer ISE detiene il record mondiale di efficienza del 34,1% (nuovo 34,5) per una cella solare tandem in cui gli strati di semiconduttori III-V vengono trasferiti da un arseniuro di gallio a un substrato di silicio e collegati mediante incollaggio di wafer. Questa tecnologia è molto efficiente ma anche costosa. Per questo motivo, Fraunhofer ISE ha lavorato per molti anni su processi di produzione più diretti in cui gli strati III-V vengono depositati o fatti crescere direttamente su una cella solare in silicio. In questo processo è fondamentale che tutti gli strati mantengano un’elevata qualità cristallina e questo rappresenta una sfida importante. Ora è stato raggiunto un nuovo record mondiale di efficienza del 25,9% per una cella solare tandem III-V/Si coltivata direttamente su silicio.

Il ricercatore Markus Feifel del Fraunhofer ISE ha recentemente presentato i suoi risultati di successo alla IIIL Conferenza degli specialisti del fotovoltaico IEEE, che si è tenuta online, dove il suo lavoro è stato premiato con lo “Student Award” nella categoria di celle solari tandem ibride. «La complessa struttura interna della cella non è visibile dall’esterno, poiché tutti gli assorbitori separati sono interconnessi internamente da strati di cristalli aggiuntivi e collegati elettricamente in serie», spiega Feifel, che è stato in grado di migliorare i suoi risultati da 24.3 al 25,9% in meno di un anno. «Ciò è stato ottenuto sostituendo un singolo strato sottile all’interno della cella multi-giunzione – prosegue Feifel -. Un’attenta analisi delle nostre celle ha mostrato che questo strato ha creato una potenziale barriera per gli elettroni che si muovono attraverso la struttura cristallina».

Dal 2007 i ricercatori Fraunhofer hanno continuato a sviluppare questa tecnologia a piccoli passi insieme all’Università di Tecnologia di Ilmenau, all’Università Philipps di Marburg e all’azienda Aixtron, ad esempio, allestendo speciali apparecchiature epitassiali ed esaminando ogni singolo strato della struttura. Questi sviluppi sono stati finanziati dal Ministero federale tedesco dell’Istruzione e della ricerca (BMBF) come parte del progetto III-V-Si e del progetto MehrSi.

Un punto caratterizzante delle nuove celle fotovoltaiche in tandem è che gli strati III-V non sono stati coltivati su un substrato levigato chimicamente come nei casi precedenti, ma direttamente su un wafer di silicio che, dopo il taglio, è stato trattato in un processo semplice utilizzando solo poco costosi processi di molatura e incisione. L’azienda danese Topil ha sviluppato questo wafer di silicio nell’ambito del progetto europeo SiTaSol, realizzando così un passo importante verso la produzione economica delle nuove celle solari multigiunzione. In futuro, l’obiettivo sarà aumentare ulteriormente l’efficienza e realizzare una deposizione dello strato più rapida, con una maggiore produttività, e quindi migliorare il rapporto costo-efficacia della produzione. L’obiettivo finale è che il fotovoltaico in tandem possa dare un contributo importante all’espansione del fotovoltaico, necessaria per la transizione energetica.