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Caratterizzazione di celle al Germanio con struttura standard per applicazioni termo-fotovoltaiche

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Caratterizzazione di celle al Germanio con struttura standard per applicazioni termo-fotovoltaiche

E’ stato realizzato un banco ottico per la misura delle caratteristiche corrente-tensione (IV) delle celle TPV. Le celle TPV al Ge con struttura standard, realizzate nel 2017, sono state quindi caratterizzate. I risultati sperimentali ottenuti sono stati confrontati con quelli teorici. L’accordo fra i dati ha permesso di validare i modelli sviluppati per la simulazione delleprestazioni del dispositivo TPV.

I recenti sviluppi sia nel campo della fotonica che dei materiali semiconduttori stanno portando un rinnovato interesse sulla tecnologia del termofotovoltaico (TPV), la quale potrebbe trovare un’importate applicazione nell’ambito della micro-cogenerazione domestica. In particolare, lo studio del ternario SiGeSn ha aperto la strada a nuove soluzioni che permetterebbero una adeguata passivazione delle superfici del dispositivo di conversione al Germanio, consentendo così la realizzazione di strutture più sottili e più efficienti. Nel corso del 2017, RSE ha quindi iniziato a realizzare alcuni dispositivi TPV al Ge con struttura standard e ha sviluppato un programma di simulazione che ha permesso di evidenziare i vantaggi nell’utilizzo del dispositivo innovativo al Ge con doppia passivazione, sottile, a riciclo fotonico.

Alla temperatura di corpo nero di 2100 K e sotto opportune ipotesi, le simulazioni hanno mostrato che il dispositivo innovativo è in grado di raggiungere un valore di efficienza di conversione del 27%. Con l’obiettivo finale di validare sperimentalmente i risultati teorici presentati nel 2017, l’attività 2018 è stata dedicata alla realizzazione di un banco ottico per la misura delle caratteristiche corrente-tensione (I-V) delle celle TPV ed al confronto fra le simulazioni ed i dati sperimentali. Come sorgente di illuminazione è stata selezionata una lampada dotata di un emettitore al nitruro di silicio, circondato da un riflettore ellittico.

Il contenuto spettrale e l’intensità della sorgente sono stati misurati tramite un opportuno spettrometro calibrato. La sorgente di illuminazione è stata valutata equivalente a quella di un corpo nero alla temperatura di 1350 K. In questi condizioni di illuminazione è stata determinata la caratteristica IV della cella al Ge con struttura standard TPV e confrontata con quella teorica. L’accordo fra dati ha permesso di validare i modelli sviluppati. Sono state inoltre effettuate diverse simulazioni, ipotizzando, a diverse temperature di corpo nero, l’uso di filtri ottici in grado di riflettere i fotoni con energia inferiore al gap del Germanio.

In particolare è stato verificato che l’efficienza di conversione può essere incrementata dal 10% al 21% illuminando la cella con una radiazione di corpo nero la cui temperatura viene aumentata da 1350 K a 1500 K. Per quanto riguarda l’uso dei filtri ottici è stato svolto uno studio preliminare, in collaborazione con l’Università di Pavia, che ha riguardato la selezione di materiali dielettrici e la messa punto di un codice di calcolo per la modellazione dei filtri.

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