Fra le tecnologie rinnovabili, ed in particolare fra le tecnologie fotovoltaiche, il fotovoltaico a concentrazione (CPV) si presenta come la tecnologia più efficiente, in cui è ancora presente un elevato dinamismo nell’attività di ricerca e sviluppo. Anche se si è ancora lontani da una standardizzazione dei prodotti e sono presenti sul mercato diverse tecnologie basate sia sulle ottiche riflessive che quelle rifrattive, è possibile registrare un continuo calo dei costi dei sistemi CPV che hanno raggiunto valori intorno ai 2 Euro/W, mentre le prospettive di sviluppo mostrano la possibilità di raggiungere la competitività economica, nei confronti del fotovoltaico piano, nei prossimi 5-10 anni.

Tali conclusioni fanno parte della continua attività di monitoraggio che RSE svolge per inserire la propria attività di ricerca e sviluppo all’interno di un percorso che tiene conto dell’evoluzione della tecnologia nel contesto internazionale. In particolare l’attività di RSE, è focalizzata al miglioramento delle prestazioni dei dispositivi a multigiunzione (MJ), che costituiscono il cuore dei sistemi fotovoltaici a concentrazione (CPV). A tale proposito occorre notare che per le celle fotovoltaiche a MJ si è registrato un continuo incremento nel valore di efficienza che ha superato la soglia del 46%. Tale incremento è principalmente dovuto al passaggio dalla realizzazione dei dispositivi a 3 giunzioni a quello dei dispositivi a 4. Anche RSE, quindi, ha definito una strategia triennale di ricerca il cui obiettivo finale è lo sviluppo di celle solari a quadrupla giunzione, InGa(As)P/(In)GaAs/SiGeSn/Ge, monolitiche, ad alta efficienza.

In accordo con tale obiettivo, nel corso del 2015 sono state seguite due linee di ricerca: i) lo sviluppo di celle solari a tripla giunzione InGa(As)P/(In)GaAs/Ge integrabili nelle strutture di celle a quadrupla giunzione, ii) lo sviluppo del SiGeSn per la realizzazione della quarta giunzione. Per quanto riguarda lo sviluppo di celle solari a tripla giunzione InGaP(As)/(In)GaAs/Ge è stata svolta innanzi tutto un’importante attività di simulazione che ha permesso di: i) mettere a punto una nuova metodologia per l’estrazione dei parametri elettro-ottici delle sotto-celle, ii) ottimizzare gli spessori della base e dell’emitter della sotto-cella top, iii) valutare i diagrammi a bande di energia della struttura a MJ, perverificare eventuali barriere di potenziale che possono ostacolare il flusso dei portatori all’interno della struttura fotovoltaica.

L’attività di ricerca è quindi proseguita nello sviluppo della sotto-cella top depositata a bassa temperatura. La crescita della sotto-cella top a bassa temperatura offre il vantaggio di poter realizzare la lega ternaria di InGaP con un valore di energy gap (Eg) elevato (1.9 eV) ed inoltre permette di ridurre il “carico termico” durante la crescita MOCVD, preservando maggiormente i profilidi drogaggio dei diodi tunnel e consentendo quindi l’utilizzo del dispositivo ad un alto valore del fattore i concentrazione.

Questa soluzione, pertanto, rende maggiormente “integrabile” il dispositivo a tripla giunzione nel dispositivo a quadrupla giunzione. L’attività, già avviata nel 2014, aveva permesso di incrementare il valore di Eg da 1.8 a 1.9 eV, ma le sotto-celle top realizzate a bassa temperatura erano caratterizzate da valori di efficienza quantica (QE) praticamente nulli. Nel corso del 2015 sono state introdotte alcune variazioni nei parametri di crescita allo scopo di migliorare l’incorporazione del drogante nello strato emitter della sotto-cella top che hanno permesso di ottenere valori di QE per la sotto-cella top intorno al 50%. E’ stato verificato, sia con misure corrente-tensione del dispositivo a MJche con l’auto del programma di simulazione del diagramma a bande di energia, che la limitazione ancora presente nel valore di QE potrebbe essere attribuita alla presenza di una extra giunzione, probabilmente dovuta ad una incorporazione non adeguata del drogante in alcuni strati del dispositivo, come, ad esempio, nello strato finestra della sotto-cella top.

Le attività del PAR 2016 dovranno pertanto essere indirizzate ad approfondire tale problema. E’ stata avviata anche l’attività di crescita del quaternario InGaAsP che consente di ottenere la sotto-cella top con un alto valore di energy gap, depositando però il materiale con una elevata velocità di crescita e quindi si presenta come soluzione alternativa alla deposizione dell’InGaP a bassa temperatura. In questa fase preliminare l’attività ha riguardato alcune tarature riguardanti la composizione del materiale. Per quanto riguarda lo sviluppo della quarta giunzione, ovvero del ternario SiGeSn, nel corso del 2015 sono state effettate ulteriori prove per la determinazione delle sorgenti gassose idonee alla deposizione MOCVD di tale materiale.

In particolare sono state effettuate alcune crescite MOCVD relative alla deposizione del binario SiGe, tramite disilano (Si₂H₆) e Isobutilgermanio (IBuGe), aumentando l’intervallo di variazione dei valori della pressione parziale di IBuGe. I bassi valori della velocità di crescita ottenuti pongono un limite all’utilizzo della sorgente IBuGe per la crescita di strati spessi 4-5 µm, che potrebbero essere necessari per la realizzazione della quarta giunzione, assumendo un comportamento a gap indiretto del SiGeSn. RSE ha quindi deciso di prendere in considerazione il germano (GeH4) come possibile sorgente alternativa all’IBuGe.

A conclusione di tale attività, RSE ha analizzato come riconfigurare i mass flow controller (controllori di flusso) attualmente installati nell’impianto MOCVD per poter depositare il SiGeSn utilizzando il disilano ed il germano come sorgenti per il Si ed il Ge. Nel PAR 2016 sarà pertanto possibile iniziare a depositare per MOCVD la nuova lega ternaria SiGeSn e verificare sperimentalmente l’efficienza di utilizzo delle diverse sorgenti gassose.

E’ importante notare che taleattività di ricerca è anche oggetto ed è svolta in modo complementare nel progetto UE- CPVMatch, correlato al presente progetto di Ricerca di Sistema, partito nel maggio 2015 con durata triennale, in cui RSE ha la leadership del work package relativo alla realizzazione di celle solari realizzate con tecnologie di frontiera.