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“Dispositivi fotovoltaici nanostrutturati e a film sottile per uso in sistemi a concentrazione con separazione spettrale” FIRB Futuro in Ricerca-Protocollo: RBFR08P44S

By Marco Stefancich, Cesare Malagù and Stefano Rampino

Abstract

Il solare fotovoltaico, pur essendo considerato una promettente soluzione per una produzione energetica sostenibile, deve risolvere alcune problematiche chiave per sviluppare questo potenziale ed essere globalmente accettato a livello di centrali energetiche. Al di là della ben nota problematica relativa al costo esistono aspetti più sottili, e potenzialmente più complessi, legati alla disponibilità dei materiali di base impiegati da questa tecnologia, al costo di raffinazione di quelli disponibili, alla grande superficie richiesta per una reale generazione di energia causata dalla attuale bassa efficienza di conversione dei dispositivi fotovoltaici ed alla necessità di costruire una filiera industriale completamente nuova affinché questa tecnologia possa raggiungere la scala del Terawatt. La concentrazione solare fotovoltaica è stata proposta come una realistica alternativa alla tecnologia dei pannelli piani poiché permette di sostituire grandi superfici di materiali costosi, come nel caso del silicio solare, o rari, come nel caso dell'Indio nelle celle CIGS, o pericolosi, come nel caso del CdTe con grandi aree di elementi plastici riflettenti o rifrattivi. Il piccolo convertitore fotovoltaico può quindi essere affrontato con tecnologie tipicamente derivate dall'industria microelettronica, della quale condivide la scala. La concentrazione, inoltre, è basata su filiere produttive esistente e completamente sviluppate fornendole una collocazione più semplice nel tessuto industriale attuale. Considerazioni di costo, principalmente basate sulla riduzione dei componenti costosi e su economie di scala, mostrano il potenziale di un reale vantaggio di questa tecnologia. Nonostante ciò la concentrazione fotovoltaica basata sul silicio è incapace di raggiungere l'alta efficienza necessaria affinché questa tecnologia possa ridurre le grandi aree richieste per la generazione di energia solare su grande scala. Dati i limiti fondamentali di efficienza di un elemento fotoattivo a singola bandgap, legati alla ampiezza della distribuzione spettrale della radiazione solare, la ricerca si è indirizzata verso l'uso simultaneo di diversi semiconduttori per convertire il fascio di radiazione concentrata. Questo è ottenuto attraverso l'impilamento di giunzioni multiple III/V o attraverso la divisione del fascio di radiazione concentrata, tramite l'uso di specchi dicroici, in diverse regioni spettrali inviate, e convertite, da elementi a singola bandgap selezionati in maniera specifica. La fattibilità di questo approccio, seguito tra gli altri dal gruppo di ricerca del coordinatore, è stato dimostrato ed ha sollevato l'interesse della comunità scientifica europea. La regione utile di grandi lunghezze d'onda della radiazione solare, da 700 a 1050 nm, può essere efficientemente convertita da celle per concentrazione al silicio, secondo un approccio classico, con efficienze di conversione attorno al 30%. La regione di lunghezze d'onda inferiore, da 400 a 700 nm, è più problematica poiché richiede un dispositivo di elevata bandgap (>1,5 eV) che possa sostenere la radiazione concentrata. Mentre celle III/V basate su InGaP offrono un approccio promettente, attualmente seguito da vari gruppi, il loro sviluppo richiede substrati di Germanio di elevata qualità, sollevando questioni di costo e disponibilità. In questo progetto prevediamo di seguire due approcci differenti al problema. L'interessante fisica dei dispositivi basati su confinamento quantico, dove la bandgap può, entro certi livelli, essere gestita, sarà esplorato in una delle unità di ricerca mentre il secondo approccio è basato sulla riconsiderazione delle tecnologia CuInxGa1-xSe2 (CIGS). La tecnologia emergente CuInxGa1-xSe2 (CIGS) è tipicamente considerata un approccio a basso costo/bassa efficienza per produzione di massa mentre non esistono motivi fondamentali per questo. Precedenti tentativi di dimostrare la sua capacità di operare sotto concentrazione hanno avuto successo sia dal punto di vista teorico che sperimentale. Inoltre, avvantaggiandosi della piccola scala dimensionale dei dispositivi usati in concentrazione, molte delle attuali problematiche di questa tecnologia diventano irrilevanti. L'approccio della deposizione da fascio elettronico impulsato, partendo da bersagli sinterizzati di stechiometria controllata, permette di ottenere dispositivi aventi composizione e proprietà elettriche desiderate. Poiché, inoltre, l'alto costo non è (entro certi livelli) un problema per componenti destinati alla concentrazione, si può valutare l'uso di substrati specifici per la deposizione del CIGS per ottimizzarne le proprietà elettriche e termiche. Per gestire l'alto livello di corrente prodotta nella 1 cella sarà necessario sviluppare, per via fotolitografica, una griglia di contatto ad elevata densità che minimizzi la copertura frontale della cella. Questo risultato sarà ottenuto tramite l'uso di una geometria di contatto frattale come testato, con successo, in precedenti esperimenti. Per quel che riguarda l'approccio basato su confinamento quantico l'idea è di sviluppare, tramite l'uso di una camera di deposizione Plasma Enanched a bassa energia (LEPECVD), strutture quasi bidimensionali periodiche a bandgap variabile di SixGe1-x in cui il valore di "x" è modulato periodicamente, lungo la direzione di crescita. Altri materiali possono, ove necessario, essere introdotti nel processo. Si tenterà di sviluppare, sulla base di simulazioni numeriche e confronto con i risultati sperimentali, di ottimizzare le caratteristiche della struttura per impiegare il dispositivo come convertitore fotovoltaico nella regione spettrale desiderata. La variazione continua del rapporto Si/Ge permette di minimizzare gli stress residui della struttura ed apre il campo, potenzialmente interessante, delle variazioni progressive della bandgap rispetto al passaggio netto comunemente ottenuto in InAs/GaAs. A parte le diverse bandgap dei materiali ci attendiamo che un ruolo importante sia giocato dalla periodicità della variazione graduale del rapporto Si/Ge. Un ruolo chiave in questo esperimento è legato al reattore LEPECVD recentemente installato presso l'Università di Ferrara con l'obbiettivo primario dello sviluppo di Germanio virtuale su Silicio (Substrati virtuali) per lo sviluppo di celle III/V. L'aspetto più interessante di questo dispositivo è la capacità di controllare in maniera continua al concentrazione relativa di Si/Ge (con la potenzialità di introdurre anche altri materiali) permettendo non solo lo sviluppo del Germanio "virtuale" ma anche, più ambiziosamente, di modulare periodicamente il rapporto Si/Ge e, conseguentemente, la struttura elettronica risultante. Inoltre, potendosi velocemente attivare e disattivare il plasma, il processo di deposizione può essere interrotto bruscamente e le condizioni della camera possono essere modificate prima di "riaccenderlo" permettendo anche cambi di composizione bruschi. Questa secondo approccio di ricerca è, evidentemente, molto più estremo di quello basato sulla tecnologia CIGS e ha, quindi, l'obbiettivo di dimostrare la fattibilità di questo percorso con lo sviluppo di un dispositivo funzionante indipendentemente dal suo rendimento reale. L'unità del coordinatore si occuperà di definire le specifiche delle celle e dell'integrazione dalle celle "nude" in un sistema a concentrazione dimostrativo completo. Saranno sviluppate configurazioni ottiche specifiche per la concentrazione e separazione spettrale oppure le configurazioni disponibili saranno, ove possibile, adattate allo scopo. Sistemi di raffreddamento e di inseguimento solare automatico completeranno il sistema assieme ad un controllo completo delle condizioni sperimentali e un sistema di misura della potenza erogata dal sistema

Year: 2011
OAI identifier: oai:iris.unife.it:11392/1427711
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