Il presente rapporto tecnico, denominato: “Progetto di celle solari al GaAs a multigiunzione per concentratori luminosi”, descrive le attività svolte dalla Linea di Produzione Celle Solari della Business Unit Generazione del CESI nell’ambito del contratto CESI n. 60/00026 (ENERIN). Le attività sono state svolte nei primi sei mesi dell’anno 2000 e riguardano il progetto e la prima caratterizzazione di celle solari a multigiunzione InGaP/GaAs/Ge da utilizzarsi in sistemi di concentrazione ottica della radiazione luminosa. Lo sfruttamento della conversione fotovoltaica come fonte alternativa per la produzione di energia elettrica, è a tutt’oggi limitato dall’elevato costo dei materiali con cui sono fabbricate le celle solari. Le due possibili alternative per diminuire i costi sono : • Utilizzare materiali a film sottile (silicio amorfo, seleniuro di indio e rame) con tecnologie a basso costo ma a bassa efficienza di conversione della radiazione solare • Utilizzare sistemi a concentrazione luminosa con celle solari sofisticate di piccole dimensioni ma ad elevatissima efficienza di conversione della radiazione solare Questa seconda linea di ricerca sembra essere la più interessante in quanto in grado di ridurre sino a quattro volte il costo dell’energia prodotta con i sistemi fotovoltaici tradizionali. Inoltre poter disporre di sistemi ad elevata efficienza è di grande interesse per ridurre la copertura del territorio nel caso di installazioni di potenza. Le celle solari attualmente più utilizzate sono basate sul silicio mono e poli cristallino con cui vengono realizzati pannelli piani. Il silicio, date le sue proprietà fisiche, non è però compatibile con sistemi a concentrazione luminosa in grado di operare ad alta concentrazione luminosa (oltre i 500 soli). Il recente sviluppo avuto nella tecnologia microelettronica basata sui semiconduttori composti (ad esempio l’arseniuro di gallio) offre oggi l’opportunità di realizzare sistemi fotovoltaici a concentrazione in grado di convertire la radiazione con efficienza prossima al 30%. Scopo del presente progetto è di sviluppare sistemi a concentrazione luminosa basati su celle solari avanzate a multigiunzione sfruttando le tecnologie a basso costo messe a punto a livello industriale per la fabbricazione di diodi emettitori (LED). Al termine dei tre anni di sviluppo si dovrebbe arrivare a realizzare e provare in campo moduli innovativi funzionanti a circa 1000 soli, caratterizzati da efficienza di conversione prossima al 30%. Questi moduli saranno realizzati con tecnologie industriali a basso costo in grado di ridurre drasticamente il costo dell’energia prodotta rispetto agli attuali pannelli piani al silicio. Il presente rapporto illustra, nel secondo capitolo, i principi generali di funzionamento delle celle solari con particolare riferimento alle celle solari all’arseniuro di gallio e alle problematiche relative alla concentrazione luminosa.

Dall’analisi eseguita nel secondo capitolo, emerge che le celle solari più promettenti per uso in concentrazione luminosa, sono i dispositivi a multigiunzione. Il terzo capitolo descrive quindi i principi di funzionamento delle celle solari a multigiunzione soffermandosi in particolare sui sistemi a tripla giunzione InGaP/GaAs/Ge. Le attività del primo semestre sono state imperniate sulla progettazione di celle solari a multigiunzione InGaP/GaAs/Ge ottimizzate a lavorare in condizioni terrestri ad alta insolazione. La progettazione, descritta nei capitoli 3 e 4, ha riguardato in particolare: 1. Il progetto della struttura epitassiale 2. Il progetto della griglia metallica. Allo scopo di progettare una struttura epitassiale ottimizzata a lavorare in condizioni terrestri e ad elevata concetrazione, CESI ha sviluppato un programma di simulazione utilizzando come ambiente il software matlab. Date le condizioni operative (spettro, insolazione, temperatura) e le proprietà ottiche e di trasporto dei materiali costituenti il dispositivo, il programma di calcolo permette di stimare le prestazioni elettriche della cella solare in funzione della sua struttura, ossia spessore, drogaggio, composizione di ogni strato. Il programma di calcolo è basato sul modello a singolo diodo per ogni giunzione costituente la cella solare. Un’altra informazione fornita dal programma di calcolo è la stima della massima resistenza serie sopportabile dal dispositivo in funzione dell’insolazione prescelta. La resistenza serie è funzione principalmente del progetto della griglia metallica frontale. Per questo motivo si sono studiate differenti tipi di griglie metalliche ottimizzata per operare in un intervallo di insolazione compreso tra 10 e 1000 soli. In generale, griglie molto fitte hanno resistenza serie molto bassa ma l’oscuramento (ombreggiatura) sulla cella solare è molto alto quindi il numero di fotoni che può raggiungere la parte attiva del dispositivo ed essere convertito diminuisce. Griglie rade sono più facilmente realizzabili, danno basse ombreggiature, ma la resistenza serie che introducono è sopportabile solo a bassi soli (concentrazioni nell’intervallo 1- 10 soli). Nel capitolo 5 si descrive la tecnologia di fabbricazione delle celle solari a tripla giunzione di InGaP/GaAs/Ge e si riportano i risultati preliminari conseguiti caratterizzando elettricamente in concentrazione celle non ancora ottimizzate. I risultati conseguiti sono stati: Celle solari con area pari a 9 mm2 sono state caratterizzate fino a 102 soli, limite dell’attuale apparato sperimentale. La massima efficienza raggiunta è stata del 25 % AM 1.5 a 50 soli. Le attività future saranno imperniate sulla realizzazione delle strutture progettate e delle maschere per realizzare la griglia metallica. Verranno prodotti alcuni esemplari di celle a multigiunzione con griglia metallica ottimizzata e si valuterà il montaggio di detti dispositivi su opportuni pozzi termici. Inoltre si inizieranno a studiare e si acquisiranno concentratori luminosi per caratterizzare i dispositivi fino a 1000 soli. Link al documento di riferimento: Link A0-023077.