Portare la tecnologia del silicio cristallino al livello successivo
Le celle solari tradizionali, in cui il silicio cristallino (c-Si) è il materiale semiconduttore predominante, sono state per molti decenni un’affidabile tecnologia per il fotovoltaico (FV) e negli anni sono migliorate sia in termini di efficienza che di riduzione dei costi. Tuttavia, oggi si stanno avvicinando ai loro limiti teorici. Servono quindi dispositivi tandem che abbiano un potenziale d’efficienza significativamente più alto. Il progetto SiTaSol, finanziato dall’UE, si è impegnato nella produzione di una cella solare a doppia giunzione, usando il fosfuro arseniuro di gallio (GaAsP) e il silicio (Si). La cella solare GaAsP/Si si basa su una nuova piattaforma che combina wafer Si a basso costo ed epitassia ad alta produttività. La soluzione si basa sul principio della tecnologia tandem, ovvero la divisione dello spettro solare in diverse bande spettrali che vengono assorbite e convertite in diversi materiali assorbenti, in questo caso, GaAsP e Si.
Verso una soluzione a buon mercato e altamente efficiente
«L’obiettivo principale del progetto SiTaSol era quello di identificare una tecnologia per una cella solare tandem III-V/Si che raggiungesse un’efficienza del 30 % con un processo riproducibile alla scala GW/anno, puntando a costi accettabili sul mercato del fotovoltaico», spiega il coordinatore del progetto Frank Dimroth. Per raggiungere questo obiettivo, dovevano essere studiati diversi componenti: il processo di epitassia per gli strati di cristallo III-V; la produzione del wafer di Si pronto per la crescita III-V; la formazione della cella di base di Si che includesse la cattura della luce; la trasformazione dei cristalli in celle solari con contatti; il rivestimento antiriflesso. SiTaSol ha costruito una nuova macchina per l’epitassia con la più grande resa ad oggi e ha prodotto celle solari tandem GaAsP/Si con un’efficienza del 20,8 % usando un substrato Si a basso costo e alti tassi di crescita di 100 µm/h. Dopo aver aggiunto una terza giunzione, è stato raggiunto addirittura il 25,9 %. Prosegue Dimroth: «Non tutte le direzioni hanno avuto successo, ma alla fine abbiamo potuto dimostrare che le celle solari tandem III-V/Si sono vicine al nostro obiettivo. Naturalmente, l’efficienza resta più bassa se paragonata a quella dei dispositivi hero, ma è incoraggiante che la combinazione di produzione a basso costo e alte prestazioni possa essere raggiunta.»
L’innovazione e la sperimentazione pagano
Il team ha studiato con successo nuove tecnologie per creare substrati di Si con una superficie quasi perfetta senza usare la lucidatura meccanica-chimica. Inoltre, ha implementato nuovi processi per migliorare l’assorbimento della luce nel Si e provato nuovi modi per creare contatti metallici sulle celle usando la stampa a getto d’inchiostro, una tecnica che sembra promettente se migliorata in futuro. Sono stati anche studiati diversi metodi per combinare l’assorbitore III-V con il Si, ad esempio sfruttando l’incollaggio come alternativa alla crescita diretta. Si è scoperto che il modo più diretto è quello di far crescere i sottilissimi strati III-V (2-3 µm) direttamente sulla cella di base in Si.
Vantaggi ambientali della tecnologia a cella solare tandem
L’alta efficienza di conversione ha un vantaggio ecologico: significa che abbiamo bisogno di meno superficie di moduli, e di conseguenza, meno suolo e meno materiali per costruire i moduli. «I risultati dimostrano che una maggiore efficienza di conversione fotovoltaica è un fattore cruciale per raggiungere un minore impatto ambientale. La buona notizia è che non abbiamo trovato grandi ostacoli nella realizzazione di questo prodotto su larga scala», conclude Dimroth.
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