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Modellizzazione teorica di sistemi termofotovoltaici per la conversione di energia termica in energia elettrica

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Modellizzazione teorica di sistemi termofotovoltaici per la conversione di energia termica in energia elettrica

Il presente rapporto descrive lo studio di filtri fotonici per sistemi termofotovoltaici (TPV) utilizzabili nella conversione di energia termica in energia elettrica ed include i risultati delle simulazioni effettuate per selezionare strutture di dispositivi fotovoltaici per TPV meno sensibili alla non idealità delle superfici e quindi più convenienti in termini di miglioramento delle performance dei sistemi TPV.

Il presente studio ha permesso di valutare l’efficienza che potrebbe essere ottenibile da dispositivi fotovoltaici al germanio (Ge) con un elevato rate di perdita dei portatori alle superfici (ovvero caratterizzati da un elevato valore della velocità di ricombinazione superficiale), inseriti in sistemi TPV che utilizzano filtri costituiti da cristalli fotonici. Sono state dapprima effettuate simulazioni del comportamento ottico di diverse tipologie di filtri TPV, realizzati mediante multistrati di materiali dielettrici, insieme alla definizione di opportune figure di merito utili a stabilirne una selezione. In particolare, le simulazioni hanno permesso di dimostrare che per ottimizzare le prestazioni della cella al Ge non è sufficiente massimizzare il valore di efficienza spettrale del filtro, ma occorre soprattutto massimizzare il valore della radiazione assorbita dal dispositivo stesso.

La potenza massima prodotta dal dispositivo fotovoltaico si ottiene con l’utilizzo di un solo stack di strati dielettrici abbinati ad uno specchio riflettore metallico posto sul retro della cella al Ge. Per assorbire adeguatamente la radiazione emessa a 1500 K, è stato verificato che lo spessore del germanio deve essere superiore a 10 μm. Inoltre, mentre nel triennio RdS precedente era stato identificato il SiGeSn come materiale passivante potenzialmente capace di ridurre la velocità di ricombinazione alla superfici della cella al Ge, nel presente studio è stata svolta un’analisi atta ad identificare delle opportune strutture di cella al Ge meno sensibili a superfici non adeguatamente passivate. Sono state pertanto effettuate diverse simulazioni che hanno dimostrato che la struttura di cella al Ge che risulta meno influenzata da un elevato valore della velocità superficiale è quella ad emitter spesso, con polarità P su N.
In particolare, considerando un valore di velocità di ricombinazione superficiale di 107 cm/sec sul retro della cella, tale struttura consente di ottenere un valore di efficienza di conversione del 22.5%, solo leggermente inferiore al valore teorico ideale del 23% che sarebbe ottenuto considerando un valore di velocità di ricombinazione superficiale molto basso, di 102 cm/sec. I risultati ottenuti consentono di progredire verso la realizzazione di sistemi TPV più efficienti ed economici per la micro-generazione domestica.

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