Nuovo record di efficienza di una cella fotovoltaica su base silicea: raggiunto il 33,3% grazie ad una costruzione multi giunzione

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Il risultato raggiunto dai ricercatori dell’Fraunhofer Institute per Sistemi di energia solare ISE di Friburgo.

La cella solare su base silicea con costruzione multicongiunta realizzata con semiconduttori di III-V e silicio ha conseguito un nuovo record assoluto convertendo in energia il 33,3% della luce solare incidente.

Un risultato notevole, se si pensa che la percentuale media di conversione di un pannello fotovoltaico commerciale s’aggira al 20-22%. Grazie alle nuove tecniche di costruzione multigiunzione tra diversi elementi, si sta rapidamente raggiungendo i limiti tecnici di conversione delle celle basate sul silicio.

I ricercatori del Fraunhofer Institute di Friburgo in Germania hanno ottenuto questo risultato di efficienza nella conversione utilizzando strati sottilissimi di materiale, a livello micrometrico, tanto che ciascuno degli elementi ha lo spessore di un ventesimo dello spessore di un capello umano. La gamma d’onda visibile della luce è assorbita da uno strato superiore realizzato con fosfori di gallio indio (GaInP), mentre quella infrarossa invisibile è catturata da uno strato inferiore di gallio arseniuro (GaAs), mentre le rimanenti gamme d’onda sono assorbite nel substrato di silicio.

Il direttore del Fraunhofer ISE, Andreas Bett, illustra la tecnologia impiegata per raggiungere il nuovo record, che supera quello ottenuto nel novembre 2016 con un’efficienza di conversione del 30,2%, portato al 31,3% nel marzo 2017. «Per ottenere questo risultato, i nostri ricercatori hanno usato un processo ben noto dall’industria di microelettronica denominata “legame diretto del wafer” per trasferire gli strati del semiconduttore di III-V, spessi solo 1.9 micrometri, sulla base silicea – dice Bett -. Le superfici sono state disossidate in una camera EVG580 combond ad elevato sotto vuoto con un fascio ionico e successivamente incollate insieme sotto pressione. Gli atomi sulla superficie delle sottocellule III-V formano legami con gli atomi di silicio, creando un dispositivo monolitico. La complessità della sua struttura interna non è evidente dal suo aspetto esteriore: la cella ha un semplice contatto anteriore e posteriore proprio come una cella solare al silicio convenzionale e quindi può essere integrato in moduli fotovoltaici nello stesso modo».

La cella solare multi-Junction III-V/si è costituita da una sequenza di sottocelle impilate una sopra l’altra. I cosiddetti “diodi a tunnel” collegano internamente le tre sottocelle fatte di gallio-indio-fosfuro (GaInP), Gallio-arseniuro (GaAs) e silicio (si), che coprono la gamma di assorbimento dello spettro del sole. La GaInP Top Cell assorbe le radiazioni tra 300 e 670 nm. La sottocellula GaAs centrale assorbe le radiazioni tra 500 e 890 Nm e la sottocella in silicio inferiore tra 650 e 1180 Nm, rispettivamente. Gli strati III-V sono prima depositati su un substrato GaAs e poi legati ad una struttura di celle solari al silicio. Qui un tunnel ossido a contatto passivato (TOPCon) è applicato alle superfici anteriori e posteriori del silicio. Successivamente viene rimosso il substrato GaAs, viene implementato un contatto posteriore nanostrutturato per prolungare la lunghezza del percorso della luce. Infine, si applica una griglia di contatto frontale e un rivestimento antiriflesso.

Sul lato industriale, la costruzione delle celle solari di multi-giunzione devono essere ancora ridotti per essere commercialmente utilizzabili. Ci sono ancora grandi sfide da superare in questo settore, che i ricercatori del Fraunhofer ISE intendono risolvere attraverso gli sviluppi futuri. Il nuovo centro di Fraunhofer ISE per le celle solari ad alta efficienza, attualmente in costruzione a Friburgo, fornirà loro l’ambiente perfetto per lo sviluppo di tecnologie di nuova generazione di celle solari III-V e silicio. L’obiettivo finale è quello portare i moduli fotovoltaici con efficienze di oltre il 30% di efficienza ad un livello commerciale simile a quello dei pannelli di qualità oggi presenti sul mercato.

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