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 microcogenerazione domestica. La tecnologia TPV utilizza una fonte di calore, ottenuta, ad esempio, dalla combustione di un gas, per aumentare la temperatura di un materiale emettitore, il quale, in questo modo, emette fotoni, cioè radiazione elettromagnetica. Parte di questi fotoni possono essere assorbiti dalla cella fotovoltaica e generano coppie di cariche (elettroni e lacune) e quindi una corrente elettrica. I due maggiori ambiti in cui si è concentrata la ricerca sulla tecnologa TPV hanno riguardato lo sviluppo degli emettitori e lo sviluppo dei dispositivi fotovoltaici.

In particolare, lo sviluppo degli emettitori selettivi ha subito un forte incremento con l’avvento dei “cristalli fotonici”, i quali consentono di ottenere contemporaneamente un aumento nel valore di emittanza della superfice dell’emettitore ed una riduzione delle componenti a bassa energia della radiazione che non possono essere convertite dalla cella fotovoltaica. Per quanto riguarda lo sviluppo dei dispositivi fotovoltaici per TPV, sono state svolte parecchie sperimentazioni, principalmente orientate all’utilizzo dei composti del gruppo IV e dei gruppi III e V della tavola periodica degli elementi. Le celle al Germanio (Ge), dopo avere subito un inziale sviluppo e aver successivamente ceduto il passo alle celle basate su composti III-V, stanno suscitando una rinnovata attenzione per due principali ragioni: i) possono essere realizzate su substrati economici, che sono disponibili per una industrializzazione già con dimensione di 6 pollici di diametro, ii) possono beneficiare degli sviluppi sui nuovi materiali semiconduttori che ne permettono un incremento nel valore di efficienza.

Uno dei problemi più importanti che avevano frenato l’utilizzo delle celle al Ge era la mancanza di adeguati strati passivanti che evitassero la ricombinazione non-radiativa dei portatori di carica generati. Lo studio del ternario SiGeSn ha aperto però la strada a nuove soluzioni che permetterebbero la passivazione sia della superficie frontale che del retro della cella, consentendo così la realizzazione di strutture sottili e più efficienti. Nell’ambito del periodo di indagine, RSE ha quindi sviluppato un programma di simulazione per valutare le performance di un dispositivo innovativo al Ge con doppia passivazione, sottile, a riciclo fotonico, mettendolo a confronto con un dispositivo standard al Ge. Sotto opportune ipotesi inerenti la temperatura di corpo nero, il valore di emissività dell’emettitore e l’efficienza ottica di raccolta, le simulazioni hanno mostrato che è possibile incrementare il valore di efficienza di conversione dal 22% al 27%. La soluzione innovativa dovrebbe consentire di ottenere un duplice beneficio: l’aumento dei valori di efficienza di conversione ed una riduzione dei costi di sistema.

Quest’ultimo obiettivo può essere raggiunto per una semplificazione del sistema TPV, che grazie al dispositivo innovativo non deve utilizzare filtri passa banda e per la possibilità di riciclare il substrato. Allo scopo di poter valutare sperimentalmente nel prossimo programma di studio, i benefici della soluzione innovativa proposta e quindi poter validare i risultati teorici, sono stati realizzati e caratterizzati alcuni primi campioni di riferimento di celle TPV di Germanio con struttura standard.