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rapporti - Deliverable

Sviluppo e caratterizzazione di celle a tripla giunzione InGaP/InGaAs/Ge

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Sviluppo e caratterizzazione di celle a tripla giunzione InGaP/InGaAs/Ge

Il rapporto descrive l’analisi tecnica-economica effettuata sulla tecnologia dellaconcentrazione fotovoltaica e l’attività si sviluppo e di caratterizzazione svolta sulle celle solari a multigiunzione InGaP/InGaAs/Ge.

E’ stata svolta un’approfondita analisi tecnico-economica del contesto internazionale in cui si pone la tecnologia fotovoltaica a concentrazione da cui è emerso un elevato dinamismo. In particolare l’aumento dell’efficienza delle celle, con un incremento medio di 0,8% all’anno nell’ultimo decennio, e dei modulif otovoltaici da utilizzare nei sistemi CPV, ha registrato notevoli e rapidi progressi, specialmente nel campo dell’alta concentrazione (> 400 soli), arrivando nel 2014 a valori record di laboratorio di 44,7 % e di 36,7% rispettivamente per le celle multi-giunzione e per i moduli. L’indagine ha inoltre mostrato che i più autorevoli analisti di mercato prevedono che il costo specifico d’installazione continuerà a decrescere nei prossimi anni parallelamente all’incremento della potenza installata stimando che nel 2020 sarà compreso nell’intervallo 0,96 €/Wp e 1,13 €/Wp, mentre il Levelised Cost of Energy (LCOE) dovrebbe scendere dagli attuali 0,082÷0,148 €/kWh, rispettivamente per aree geografiche con DNI di 2500 o 2000 KWh/(m2a), a circa 0,06 €/kWh per aree con più elevata DNI, uguagliando di fatto quello di grandi sistemi fotovoltaici convenzionali piani fissi. In tale contesto internazionale si sviluppa anche l’attività di RSE, in particolare focalizzata al miglioramento delle prestazioni dei dispositivi a multigiunzione, attraverso la ricerca e lo sviluppo del processo di crescita dei materiali semiconduttori e dei processi “post growth”. Nel periodo di riferimento è stata svolta un’attività di simulazione delle prestazioni del dispositivo fotovoltaico ed in particolare il best fitting fra i dati sperimentali e quelli simulati per permettere di stimare i parametri fondamentali della cella solare e quindi consentire diidentificare gli eventuali punti deboli del dispositivo fotovoltaico. E’ stata effettuata una modellizzazione della griglia metallica di contatto frontale della cella allo scopo di ottimizzarne il funzionamento a 1000 soli utilizzando un modello distribuito 3D per eseguire simulazioni del comportamento della cella a concentrazione in regime d’illuminazione, al variare del fattore di concentrazione, della dimensione di cella, della distanza fra i rebbi della griglia e della loro dimensione. Si è quindi pervenuti a un nuovo design di cella, che consente in linea teorica di guadagnare quasi due punti percentuali assoluti sull’efficienza di conversione rispetto alla cella a tripla giunzione finora realizzata da RSE. Per aumentare il valore di efficienza del dispositivo e in particolare il valore ditensione si è deciso di intraprendere la strada della crescita dell’InGaP a bassa temperatura, intorno ai 500°C, valore che risulta di circa 100-150 C° inferiore al valore di temperatura comunemente utilizzato per deposizione MOCVD di tale materiale. Lo sviluppo dell’InGaP a bassa temperatura ha richiesto un ampio lavoro sperimentale per la determinazione delle condizioni di crescita necessarie per ottenere strati di adeguata morfologia, composizione e drogaggio. La principale difficoltà incontrata ha riguardato la formazione di difetti di tipo morfologico che si comportano come centri di ricombinazione dei portatori di carica. Il risultato di rilievo principale riguarda il miglioramento della risposta spettrale della cella middle (InGaAs), come diretta conseguenza dell’aumento del valore di “energy gap” (Eg) del materiale della cella top (InGaP) cresciuto a bassa temperatura che si traduce anche nell’amento auspicato di tensione del dispositivo a multigiunzione. Infatti, l’aumento dell’Eg dell’InGaP ha consentito un minore filtraggio della luce incidente, e quindi una maggiore foto corrente generata dalla cella middle. Oltre al lavoro di sviluppo svolto in merito alla modellazione e alle condizioni di crescita sono anche state svolte attività inerenti allo sviluppo e il perfezionamento dei processi successivi alla crescita MOCVD che conducono alla realizzazione del dispositivo e al suo assemblaggio su modulifotovoltaici. E’ stato dapprima valutato l’utilizzo del taglio laser in alternativa al taglio con lama diamantata. Per garantire un buon contatto ohmico fra il metallo e il semiconduttore e una buona adesione delle piste metalliche è stato sviluppato un nuovo processo di pulizia del wafer. I risultati migliori sono stati ottenuti con una pulizia chimica in NH4OH:H2O e bombardamento della superficie del campione con Argon. Le buone condizioni di contatto sono state verificate con misure elettriche, inoltre sono state eseguite misure con il microscopio a forza atomica per verificare che il bombardamento ionico non avesse introdotto danni alla superficie. Per migliorare la deposizione dei metalli e degli ossidi sono state eseguite modifiche hardware agli evaporatori: il contatto termico fra il wafer ed il porta campione è stato migliorato progettando un sistema di fissaggio del wafer che prevede un apposito anello metallico. E’ stato poi realizzato un altro porta-wafer per l’evaporatore degli ossidi, che non solo può essere montato sul piatto rotante dell’evaporatore in posizione perpendicolare al fascio di evaporazione, ma può essere inclinato con diversi angoli per la realizzazione di ossidi nano-strutturati utilizzati per il coating antiriflesso della cella. Per migliorare la fase di attacco chimico, a oggi condotta da RSE per via umida, è stato eseguito uno studio per determinare l’attrezzatura più adeguata per eseguire attacchi a secco. Si è concluso che i reattori che consentono l’attacco RIE (Reactive IonEtching) e ICP (Inductively Coupled Plasma) costituiscono le attrezzature più adatte per le celle a concentrazione di sviluppo RSE, in quanto si possono ottenere buone velocità di attacco, vi è basso danneggiamento superficiale e nella modalità RIE buona selettività sul resist. Inoltre, la flessibilità dell’attrezzatura ne permette l’uso anche per la realizzazione di nano-strutture. Dopo aver identificato una sequenza standard per i processi post growth, RSE ha infine proseguito nell’attività che riguarda lo sviluppo della tecnica di saldatura delle celle sui dissipatori di calore ed in particolare lo sviluppo della tecnica wire bonder per rendere possibile la contattatura di celle di ridotta dimensione (qualche mm2).

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