Secondo il piano temporale dettagliato del progetto gli obiettivi individuati nel semestre 20/08/2009-20/02/2010 sono: A.1.1: progetto preliminare di componenti termo-fotovoltaici A.4.1: progetto preliminare di caldaia termofotovoltaicaSecondo il piano temporale dettagliato del progetto gli obiettivi individuati nel semestre 20/08/2009-20/02/2010 sono: A.1.1: progetto preliminare di componenti termo-fotovoltaici A.4.1: progetto preliminare di caldaia termofotovoltaic

Armani, Nicola

Attolini, Giovanni

Bosi, Matteo

Ferrari, Claudio

Frigeri, Cesare

Gombia, Enos

Rossi, Francesca

PUblication MAnagement

Consiglio Nazionale delle Ricerche
imem
Istituto dei Materiali per l'Elettronica ed il Magnetismo
 
Viale Usberti 37/A, 43010 Fontanini, Parma ITALY 
Tel. 0039 0521 2691, Fax 0039 0521 269206 
 Responsabile commessa DAPS 
Dr. Claudio Ferrari 
Tel.     +39 - 521 - 269222  
E-mail     Ferrari@imem..cnr.it  
 
 
 
 
 
 
 
Oggetto: 
Relazione sulle attività completate nel 4° semestre,  periodo 20/09/2009-20/02/2010 del 
progetto 1: "Nuove tecnologie e strumenti per l'efficienza energerica e l'utilizzo delle fonti 
rinnovabili negli usi finali civili" nell'ambito dell'accordo quadro tra regione Lombardia e 
Consiglio Nazionale delle Ricerche per l'attuazione di programmi di ricerca e sviluppo. 
 
area 2: "componenti evoluti di edificio e di impianto e criteri di integrazione nel sistema con 
funzionalizzazioni specifiche al costruito nuovo ed esistente" 
 
wp5: Sviluppo e sperimentazione di soluzioni tecnologiche utilizzanti fonti rinnovabili: 
- Componenti solarizzati termici e fotovoltaici prestazionalmente integrati nell'involucro 
- Sviluppo e sperimentazione di componenti a doppio effetto termo-fotovoltaico 
- Sperimentazione di componenti fotovoltaici innovativi sviluppati nell'ambito di programmi 
di ricerca già avviati o che saranno avviati dalla Regione Lombardia 
 
 
Unità operativa Istituto IMEM-CNR (WP5): 
 
Si trasmette la relazione del 4° semestre del progetto. 
 
Cordiali saluti 
 
il responsabile 
 
Claudio Ferrari 
Parma, 10 marzo 2010  
 
Alla cortese attenzione di: 
 
Ufficio Programmazione Operativa 
Direzione Centrale Supporto alla Programmazione 
e alle Infrastrutture 
P.le Aldo Moro, 7 
00185 Roma 
 Attività completate nel 4° semestre,  periodo 20/08/2009-20/02/2010 del progetto 1: 
"Nuove tecnologie e strumenti per l'efficienza energerica e l'utilizzo delle fonti rinnovabili 
negli usi finali civili" nell'ambito dell'accordo quadro tra regione Lomabrdia e Consiglio 
Nazionale delle Ricerche per l'attuazione di programmi di ricerca e sviluppo 
 
Secondo il piano temporale dettagliato del progetto gli obiettivi individuati nel semestre 
20/08/2009-20/02/2010 sono: 
A.1.1: progetto preliminare di componenti termo-fotovoltaici 
A.4.1: progetto preliminare di caldaia termofotovoltaica 
 
 
A.1.1: progetto preliminare di componenti termo-fotovoltaici: 
• sviluppo di una cella fotovoltaica basata sul germanio, materiale semiconduttore dal costo 
contenuto e dall’energy gap dell’ordine di 0.67 eV 
 
E' continuata la crescita di strati omoepitassiali di germanio su substrati di germanio 
mediante la tecnica della deposizione da vapore da precursore metallo-organico (MOCVD), 
usando l'IsoButilGermano per ottenere dispositivi fotovoltaici efficienti anche nell'infrarosso. 
Uno dei problemi affrontati in questa fase è il drogaggio non intenzionale p che sembra 
essere ottenuto anche dopo la pulizia della camera dopo la rimozione di eventuali 
contaminanti. 
Sono inoltre stati cresciuti campioni epitassiali spessi, finalizzati alla realizzazione di una 
giunzione p-n interamente epitassiale, quindi con miglior controllo dei profili di drogaggio. 
La temperatura di crescita è stata portata a 700 °C  per aumentare la velocità di crescita, 
rispetto ai precedenti campioni cresciuti a 500 °C. 
 
Il primo campione cresciuto (fig 1) è uno strato epitassiale p spesso 2.3µm su  un substrato 
drogato  n~1018 cm-3  (drogaggio non ottimale per l'assorbitore). La caratterizzazione del 
campione conferma l'aumento della velocità di crescita ed il corretto drogaggio p. La 
caratterizzazone IV della giunzione p-n ottenuta (fig1) mostra: 
- una buona uniformità dei dispositivi ottenuti sull'area di crescita di circa 1 cm2. 
- un rapporto di rettificazione di circa 7 ordini di grandezza. 
- l'aumento dello spessore conseguente all'aumento della velocità di crescita. 
 
Seguendo la strategia di ottenere un dispositivo interamente epitassiale e per verificare il 
controllo del drogaggio sono stati cresciuti due dispositivi (172n e 172p) cresciuti su substrati 
n e p rispettivamente. La crescita è avvenuta simultaneamente, quindi nelle stesse condizioni 
di crescita, ad una temperatura di 700 °C. 
La struttura dei dispositivi è mostrata nelal fig.2. Se le strutture cresciute rispettassero lo 
schema della fig. 2 ci si aspetterebbe: 
- una giunzione rettificante per il dispositivo 172p (n-p-p) ed una struttura non rettificante 
(n-p-n) per il dispositivo 172 n. L'analisi della fig. 2b, che mostra la mancanza della 
caratteristica di corrente diretta nel diodo,  porta a concludere che non è realizzata la 
giunzione n-p di testa nei due campioni e quindi che non è stato ottenuto un drogaggio n 
sufficiente nello stato epitassiale di testa. La spiegazione di questo effetto sembra dovuta ad 
una minore incorporazione di arsenico drogante a 700 °C rispetto alle precedenti temperature 
di crescita (500 °C), tramite il flusso di arsina.  
 
L'ultimo test effettuato riguarda il drogaggio non intenzionale. 
Sono state cresciute due strutture epitassiali spesse 2.3 µm su substrati n e p 
rispettivamente (173n e 173p, fig. 3). Le curve IV riportate nella figura 3b mostrano: 
- una struttura rettificante nel campione 173n, indicando un drogaggio p non intenzionale 
dello strato epitassiale 
- una struttura non ettificante nel campione 173p. 
La caratteristica IV del campione 173n non ha comunque un buon rapporto di 
rettificazione. Questo conferma che in condizioni di pulizia del reattore ed in assenza di 
drogaggio intenzionale gli strati epitassiali risultano drogati p. La natura e la concentrazione 
dei droganti non è nota e sono in programma misure di spettrometria di massa da ioni 
secondari (SIMS). 
 
Nella figura 4 sono invece riportate le caratteristiche I-V di campioni simili di germanio 
omoepitassiale da un lavoro pubblicato recentemente alla 24° European PV Conference. Il 
rapporto di rettificazione di 107 è simile ai valori misurati nei dispositivi realizzati in IMEM. 
Si osserva inoltre un migliore comportamento della giunzione interamente epitassiale rispetto 
a quella in cui è cresciuto epitassialmente solo l'emettitore della cella e l'assorbitore è nel 
substrato.  
 
 
• sviluppo di filtri infrarossi con massimo della trasmissività per fotoni con energia di circa 
0.8 eV, basati su strati alternati di dielettrici con diverso indice di rifrazione 
 
Per ottenere efficienze di conversione elettrica/termica fino al 10% si è visto che è è 
necessario recuperare il calore dei gas combusti nella caldaia attraverso un recuperatore di 
calore che preriscaldi i gas prima della combustione. A tal fine sono stati individuati 
bruciatori radianti già disponibili sul mercato (www.attas.it) basati su emettitori di SiC, già 
dotati di sistema di recupero del calore per poter portare l'efficienza radiante a circa l'80% 
della potenza termica. 
Questi bruciatori sono stati sviluppati per trattamenti termici, ad esempio per i metalli, o 
nell'industria alimentare, in cui non ci deve essere contatto tra i gas prodotti dalla 
combustione e gli elementi da trattare. I bruciatori della ATTAS (fig.5), prodotti dalla ditta 
WS tedesca, hanno inoltre i seguenti vantaggi: 
- combustione "flameless", ovvero combustione quasi in assenza di fiamma, senza punti 
critici a temperature elevate nella zona della combustione. Questo permette di arrivare a 
temperature del bruciatore radiante fino a 1250 °C riducendo la produzione di ossidi di azoto 
NOx. 
-  sono provvisti di un recuperatore di calore attravesro uno scambiatore di calore tra gas 
combusti e gas prima della combustione, con efficienza fino all'80%. 
E' necessario d'altronde ottimizzare lo spettro di emissione del bruciatore, che a 1250 °C è 
composto da una quota rilevante (fino al 73% in termini energetici) di radiazione infrarossa 
non convertibile in energia elettrica da parte della cella fotovoltaica al germanio. 
Per ottimizzare lo spettro di emissione del bruciatore radiante le strategie che si possono 
adottare sono: 
- l'utilizzo di emettitori selettivi 
- l'utilizzo di filtri selettvi. 
Entambe le strategie possono essere applicate. E' stata individuata una ditta 
(www.odlcoatings.com) in grado di realizzare specchi basati su film sottili o filtri ottici con 
caratteristiche predeterminate. Gli specchi dovrebbero riflettere tutte le lunghezze d'onda con 
λ>1.8 µm che non possono essere convertite in corrente (Eg del germanio =0.66 
corrispondente a λ=1.85 µm)) 
 
  
A.4.1: progetto preliminare di caldaia termofotovoltaica 
 
In collaborazione con i colleghi Prof. Spina e prof. Pinelli del Dipartimento di Ingegenria 
dell'Università di Ferrara e nell'ambito di un progetto PRIN 2007 riguardante la 
microcogenarazione e finanziato dal Ministero dell'Università e della Ricerca (MIUR)  si 
stanno calcolando i parametri ottimali di una caldaia domestica pensata come un piccolo 
microcogeneratore di potenza termica ed elettrica. 
Considerando un bruciatore avente una potenza nominale di 14kW termici, adatto per 
un'utenza domestica, si sono calcolati i tempi di ritorno dell'investimento, considerando, ad 
esempio i costi aggiuntivi per una caldaia termofotovoltaica rispetto ad una caldaia 
tradizionale. 
Considerando come maggiore costo di un microcogeneratore termico-elettrico rispetto ad 
una caldaia tradizionale una cifra variabile tra 1350 e 2000€ (i maggiori costi riguardano 
comunque la realizzazione delle celle fotovoltaiche, circa 1000 cm2 di wafer di germanio 
cristallino al costo di 100 $/100 cm2 costano circa 800 €) ed assumendo un'efficienza di 
conversione elettrica/termica del 10%,  per un uso di circa 1880 ore-anno (nord Italia) si 
ottiene 
 
 
Potenza nominale bruciatore    14.0 KW 
Efficienza elettrica/termica 10% 
Potenza termica utile (95% efficienza termica)   12  KW 
Ore di funzionamento annue 1880 
Energia elettrica prodotta 2632 KWh 
Profitto da risparmio energia elettrica (0,18 € /KWh) 473,7 € 
Costo metano /m3 0,57 €/m3 
Metano aggiuntivo per 2632 KWh 243.6 m3 
Costo metano aggiuntivo 138.9 € 
Differenza Profitto-Maggior costo 335 € 
Tempo di ritorno per costo TPV 1,35K€*  4,0 anni 
Tempo di ritorno per costo TPV 2K€* 6,0 anni 
 
Pcal metano = 38,890 MJ/m3 
* Senza incentivi 
(Si veda anche l'articolo "Cost efficient thermophotovoltaic cella based on germanium substrates", J. 
Van der Heide, N. E. Posthuma, G. Flamand, W. Geens, J. Poortmans, in Solar Energy Materials & 
Solar Cells 93 (2009) 1810-1816) 
 
Come si vede anche in assenza di incentivi, a condizione di ottenere un'efficienza 
elettrica/termica  dell'ordine del 10% ed a condizione di contenere entro valori ragionevoli i 
costi aggiuntivi per realizzare il convertitore termofotovoltaico, le prospettive economiche 
sono interessanti. 
 
 
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 1a: struttura nominale del campione 171n. 
 
 
 
 
Fig 1b: caratteristiche IV di giunzoni p-n otenute sul campione 171n che mostrano l'uniformità del campione e il 
rapporto di rettificazione dei dispositivi di 107.  
 
 
 
 
 
 
#171n 
SUB: Ge n 
EPI: Ge p 
2.3µm 
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
1E-10
1E-9
1E-8
1E-7
1E-6
1E-5
1E-4
1E-3
0.01
Cu
rr
en
t (
A
)
Voltage (V)
#171n, T=300 K
 dot1 
 dot2 
 dot3 
 dot3 b 
 dot4 
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig 2a: strutture nominali per verificare la possibilità di crescere diodi interamente epitassiali e per verificare il 
controllo dei drogaggi. 
 
 
 
Fig 2b:caratteristiche IV dei dispositivi di fig. 2a. La mancaza di una significativa corrente diretta ed il basso 
rapporto di rettificazione indicano ce la giunzione epotassiale n-p non è stata realzzata a causa di un drogaggio n 
insufficiente nello strato finale. 
 
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
1E-10
1E-9
1E-8
1E-7
1E-6
1E-5
1E-4
1E-3
0.01
Cu
rr
en
t (A
)
Voltage (V)
#172, T=300 K
 Enos mis.a (172n)
 Enos mis.b (172n)
 #172p
SUB: Ge n 
EPI: Ge p 
EPI: Ge n 
#172n 
SUB: Ge p 
EPI: Ge p 
#172p 
EPI: Ge n 
Stessa crescita 
Substrati affiancati 
0.5 µm 
2.3 µm 
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 3a: Schema dei campioni epitassiali cresciuti senza drogaggio intenzionale. 
 
 
 
 
 
Fig. 3b:  caratteristiche IV dei campioni di fig. 3a. La curva IV del campione 173n con un buon rapporto di 
rettificazione indica un drogaggio p non intenzionale dello strato epitassiale. 
 
 
SUB: Ge n 
EPI: Ge 
#173n 
SUB: Ge p 
EPI: Ge 
#173p 
Stessa crescita 
Substrati affiancati 
2.3 µm 
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0
1E-10
1E-9
1E-8
1E-7
1E-6
1E-5
1E-4
1E-3
 173n
 173p
Cu
rr
en
t (
A
)
Voltage (V)
  
 
 
 
 
Fig 4: caratteristiche I-V di dispositivi omoepitassaili di germanio. Blu scuro: interamente epitassiale. un lavoro 
presentato recentemente alla 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition 21 – 25 
September 2009, Hamburg, Germany 
"n and p-doped Germanium grown by MOVPE for solar cell applications" by  R. Jakomin, G. Beaudoin, N. 
Gogneau, B. Lamare, I. Sagnes 
 
 
 
 
 
Fig. 5 schema di un bruciatore radiante prodotto dalla WS tedesca che mostra il bruciatore con la parte relativa 
al recuperatore di calore.  
 
Parma, 10 Marzo 2010 
 
Claudio Ferrari 
Giovanni Attolini 
Nicola Armani 
Matteo Bosi 
Francesca Rossi 
Cesare Frigeri 
Enos Gombia 


Relazione sulle attivit? completate nel 4? semestre, periodo 20/09/2009-20/02/2010 del progetto 1

http://puma.isti.cnr.it/rmydownload.php?filename=cnr.imem/cnr.imem/2010-PR-004/2010-PR-004.pdf

Relazione sulle attivit? completate nel 4? semestre, periodo 20/09/2009-20/02/2010 del progetto 1

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