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Sviluppo di celle solari a multigiunzione per sistemi a concentrazione

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Sviluppo di celle solari a multigiunzione per sistemi a concentrazione

Il presente rapporto tecnico descrive l’attività di ricerca sulle celle fotovoltaiche ad alta efficienza svolte dal CESI nel corso dell’anno 2000, nell’ambito delle ricerche per il sistema elettrico italiano. Esso descrive in particolare il progetto e la prima caratterizzazione di celle solari a multigiunzione InGaP/GaAs/Ge da utilizzarsi in sistemi di concentrazione ottica della radiazione luminosa da impiegarsi sino a 1000 volte la costante solare. 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 particolarmente 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, nei sui vari capitoli, i diversi obiettivi intermedi da raggiungere secondo quanto previsto dall’allegato tecnico del primo anno d’attività. Dopo l’introduzione, il secondo capitolo riporta una sintesi dei principali progetti a livello mondiale relativi ai sistemi fotovoltaici a concentrazione luminosa. In particolare si analizza la politica europea in questo settore sulla base della direttiva sullo sviluppo sostenibile emessa nell’ottobre del 1999. Il capitolo da anche dei cenni su quella che sarà l’attività di analisi di sistema che sarà svolta negli anni successivi del progetto. 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 affronta il tema dei concentratori luminosi, sia da un punto di vista generale che analizzando i componenti disponibili sul mercato. Il capitolo successivo, sviluppo delle tecnologie per le celle solari, sintetizza l’attività svolta nel primo semestre e descritta nel rapporto di avanzamento di giugno, e approfondisce lo sviluppo del know-how che ha permesso di fabbricare celle solari a multigiunzione per concentratori luminosi. Questa attività rappresenta la parte più qualificante del progetto che ha permesso a CESI di entrare nel ristretto gruppo di aziende che al mondo dispongono della tecnologia di fabbricazione di celle solari in grado di convertire la radiazione solare con efficienza superiore al 25%. Le strutture epitassiali necessarie a realizzare le celle solari a multigiunzione sono state cresciute, su know-how CESI, presso la ditta ENE (Brussels) con cui la nostra azienda collabora da anni. Allo scopo di progettare una struttura epitassiale ottimizzata a lavorare in condizioni terrestri e ad elevata concentrazione, 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 d’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 e realizzate differenti tipi di griglie metalliche ottimizzate per operare in un intervallo di insolazione compreso tra 10 e 1000 soli. Nel capitolo si descrivono, infine, le caratteristiche elettriche, misurate in laboratorio, delle celle solari prodotte nel corso dell’anno. Per l’attività di caratterizzazione ci si è avvalsi anche della strumentazione e del supporto dell’istituto IOFFE di Sanpietroburgo (Russia). I risultati conseguiti si possono sintetizzare come segue:

Si è sviluppata la tecnologia per realizzare multistrati epitassiali di GaInP/GaAs su substrati di germanio, di diametro 115 mm, da impiegare nella costruzione delle celle solari Si sono ottimizzati i processi di fabbricazione delle celle con cui si è ora in grado di ottenere, in modo riproducibile, oltre 3000 celle solari da 1000 soli su ogni wafer epitassiale. Sono state fabbricati i primi esemplari di celle in grado di convertire la radiazione solare con le seguenti carattersitiche: Celle d’area 7 mm2: efficienza 29%, AM1.5, 300 soli Celle d’area 2 mm2: efficienza 28%, AM 1.5, 1000 soli Il rapporto, nella sua parte conclusiva, descrive le linee guida per il proseguimento dell’attività di sviluppo nei prossimi anni.

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