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Sviluppo di celle solari a multigiunzione e di sistemi a concentrazione

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Sviluppo di celle solari a multigiunzione e di sistemi a concentrazione

Nel settore delle fonti rinnovabili, la conversione fotovoltaica rappresenta la tecnologia di maggiore potenzialità perché permette di produrre direttamente energia elettrica dall’energia solare. Inoltre questa fonte energetica è pulita, rinnovabile, modulabile ed affidabile. Non richiede l’uso di combustibili e permette la generazione di energia elettrica in modo distribuito fornendo quindi una soluzione ottimale per l’elettrificazione di utenze isolate. Tuttavia lo sviluppo e la diffusione di sistemi di generazione basati sulla conversione fotovoltaica è tuttora fortemente limitato dagli elevati costi dell’energia prodotta. Gli attuali sistemi basati su celle solari a silicio mono o poli cristallino, dopo oltre 30 anni di sviluppo, non offrono possibilità di significativi miglioramenti in termini di costo ed efficienza di conversione a causa del costo del materiale. Le strade per giungere ad un fotovoltaico competitivo sono i sistemi che utilizzano celle solari a film sottile o i sistemi ad elevata concentrazione luminosa. Questi ultimi, pur impiegando dispositivi sofisticati, basati sull’arseniuro di gallio (GaAs), utilizzano piccole quantità di materiale. Inoltre avendo efficienza di conversione della radiazione solare estremamente elevata, permettono di ridurre i costi complessivi del sistema. I recenti sviluppi avuti nel campo dei diodi foto-emettitori e delle celle solari per uso spaziale, opportunamente integrati, fanno ritenere possibile la realizzazione di generatori fotovoltaici ad altissima concentrazione in grado di produrre energia elettrica a costi decisamente inferiori a quelli degli attuali sistemi. La presente attività, svolta nell’ambito del programma di ricerca sul sistema elettrico nazionale, si pone come obiettivo lo sviluppo di soluzioni tecnologiche che consentano la realizzazione di sistemi fotovoltaici ad alta concentrazione luminosa (sino a 1000 soli), caratterizzati da efficienza di conversione prossima al 30% a livello di sistema. La proposta mira inoltre a dimostrare la possibilità di ridurre il costo dell’energia prodotta di un fattore 5 rispetto al costo dell’energia prodotta con i pannelli solari piani a silicio, rendendo questa tecnologia particolarmente attraente per i paesi dell’area mediterranea. Lo sviluppo di sistemi ad alta concentrazione luminosa con celle solari a multigiunzione è oggetto di studio da parte di diverse aziende e centri di ricerca in Europa, Stati Uniti e Giappone. Il quadro della ricerca internazionale su questo tema è stato descritto in sintesi nel rapporto tecnico CESI relativo all’attività svolta nell’anno 2000. Il primo anno d’attività del programma di ricerca di sistema ha permesso di raggiungere alcuni risultati preliminari, di sviluppo di celle a multigiunzione per i sistemi PV a concentrazione, estremamente incoraggianti. Questi risultati pongono il CESI all’avanguardia in uno sviluppo tecnologico che solo poche aziende al mondo sono in grado di perseguire. Il presente rapporto tecnico descrive le attività svolte dal CESI nel corso del 2001 in proseguimento dell’attività di ricerca iniziata nel 2000, e che si prevede di continuare anche nel 2002 con la sperimentazione in campo di moduli fotovoltaici ad elevata efficienza di conversione. Le linee di ricerca nel 2001 prevedevano, in sintesi, lo svolgimento delle seguenti attività: Affinamento e congelamento della tecnologia di fabbricazione delle celle a multigiunzione. Studio di strutture a multigiunzione in grado di superare il limite del 30% d’efficienza. Montaggio delle celle solari con tecniche applicabili in futuro a processi di tipo industriale. Progetto di un sistema prototipo operante con le celle suddette. Individuazione dei sistemi ottici adatti per quest’applicazione, ricorrendo per quanto possibile a tecnologie sviluppate presso altri laboratori. Individuazione dei sistemi d’inseguimento del sole (tracking systems) a basso costo compatibili con l’ottica prescelta. Acquisizione della componentistica necessaria per la costruzione dei moduli dimostrativi. Individuazione del sito per l’installazione dei moduli e prime prove di montaggio dei dispositivi.

Nel primo semestre 2001 (come descritto nel rapporto tecnico CESI-SFR-A1/024785) è proseguita l’attività d’ottimizzazione delle strutture GaInP/GaAs/Ge, con l’obiettivo di aumentare ulteriormente l’efficienza di conversione con l’utilizzo di una terza giunzione nel germanio. Questa struttura rappresenta il primo tentativo in Europa di realizzare una cella solare a tripla giunzione con caratteristiche confrontabili a quelle prodotte a livello di ricerca nei migliori laboratori USA. Sono state inoltre valutate le problematiche relative alla caratterizzazione elettrica di strutture così complesse. Nella seconda parte dell’anno l’attività si è incentrata nella scelta e nell’acquisizione della parte ottica (lenti di Fresnel) tramite una collaborazione con il prestigioso istituto IOFFE di San Pietroburgo (Russia), che ha fornito tutti gli elementi costruttivi per i moduli a concentrazione. Sono stati acquisiti due inseguitori solari e preparata l’area per la loro installazione. Al termine dell’anno è iniziato l’assiemaggio dei moduli con le lenti. L’attività di studio ha inoltre compreso una fase di analisi del quadro internazionale di ricerca sul tema delle celle solari ad elevata concentrazione, anche con lo scopo di confrontare gli obiettivi del programma di Ricerca di Sistema rispetto all’evoluzione della tecnologia a livello mondiale.

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