BSC – Celle solari bifacciali: Storia della cella solare bifacciale o a due superfici

Pubblicato il: 22 gennaio 2022 / Aggiornamento del: 24 febbraio 2023 - Autore: Konrad Wolfenstein

Storia della cella solare bifacciale o a due superfici - Immagine: Xpert.Digital / Sunward Art|Shutterstock.com

Una cella solare al silicio fu brevettata per la prima volta da Russell Ohl nel 1946 mentre lavorava ai Bell Labs e dimostrata pubblicamente da Fuller, Chapin e Pearson nello stesso centro di ricerca nel 1954; Tuttavia, queste proposte iniziali riguardavano cellule monofacciali, la cui parte posteriore non doveva essere attiva.

La prima cella solare bifacciale teoricamente proposta si trova in un brevetto giapponese con data di priorità del 4 ottobre 1960 di Hiroshi Mori, che lavorava per la società Hayakawa Denki Kogyo Kabushiki Kaisha (Hayakawa Electric Industry Co. Ltd.), che in seguito sviluppò nell'odierna Sharp Corporation. La cella proposta era una struttura a doppia cella PNP con elettrodi di contatto su due bordi opposti.

Tuttavia, le prime dimostrazioni di celle e pannelli solari bifacciali furono effettuate come parte del programma spaziale sovietico nelle stazioni spaziali militari LEO Salyut 3 (1974) e Salyut 5 (1976). Queste celle solari bifacciali sono state sviluppate da Bordina et al. sviluppato e prodotto presso il VNIIT (All Union Scientific Research Institute of Energy Sources) di Mosca, che nel 1975 divenne il produttore russo di celle solari KVANT. Nel 1974, questo gruppo depositò un brevetto statunitense proponendo le celle sotto forma di mini tubi paralleli con una dimensione massima di 1 mm x 1 mm x 1 mm, collegati in serie per fornire 100 celle/cm2. Come con le BSC odierne, hanno proposto l'uso di composti isotipici pp+ vicino a una delle superfici che ricevono la luce. Nella Salyut 3, piccoli pannelli sperimentali con un'area totale delle celle di 24 cm2 hanno mostrato un aumento della produzione di energia per rivoluzione satellitare dovuta all'albedo terrestre fino al 34% rispetto ai pannelli monofacciali dell'epoca. Durante il volo della stazione spaziale Salyut 5, utilizzando pannelli bifacciali (0,48 m2 - 40 W) è stato osservato un guadagno del 17-45%.

Parallelamente a questa ricerca russa, dall’altra parte della cortina di ferro, il laboratorio di semiconduttori della Facoltà di Ingegneria delle Telecomunicazioni dell’Università Tecnica di Madrid, guidato dal professor Antonio Luque, sta portando avanti in modo indipendente un ampio programma di ricerca per sviluppare applicazioni industriali applicabili celle solari bifacciali. Mentre il brevetto di Mori e i prototipi VNIIT-KVANT nella navicella spaziale erano basati su minuscole celle senza griglia metallica sulla superficie ed erano quindi strettamente collegate, più nello stile dei dispositivi microelettronici che nelle loro fasi iniziali, Luque avrà due brevetti spagnoli nel 1976 e 1977 e uno negli Stati Uniti nel 1977, che furono i precursori delle moderne cellule bifacciali. I brevetti di Luque furono i primi a proporre BSC con una cella per wafer di silicio, come avveniva allora con le celle monofacciali e lo è ancora oggi, con griglie metalliche su entrambe le superfici. Hanno considerato sia la struttura npp+ che le strutture pnp.

Lo sviluppo delle BSC nel laboratorio dei semiconduttori è stato affrontato in tre fasi, risultando in tre tesi di dottorato, scritte da Andrés Cuevas (1980), Javier Eguren (1981) e Jesús Sangrador (1982), i primi due supervisionati da Luque e il terzo dal Dott. Gabriel Sala dello stesso gruppo. Il lavoro di dottorato di Cuevas consisteva nella costruzione del primo brevetto di Luque nel 1976, chiamato "transcella" per via della sua struttura npn simile a un transistor. Nella sua tesi, Eguren ha affrontato la dimostrazione del secondo brevetto di Luque del 1977 con un profilo di drogaggio npp+ in cui la giunzione isotopica pp+ si trova adiacente al retro della cella, creando quello che nella tecnologia delle celle solari viene comunemente chiamato "campo superficiale posteriore" ( BSF). Questo lavoro ha portato a numerose pubblicazioni e ulteriori brevetti. In particolare, l’effetto benefico della riduzione del drogaggio p nella base, dove la riduzione di tensione nella giunzione di emettitore (giunzione pn anteriore) è stata compensata da un aumento di tensione nella giunzione isotipica posteriore, consentendo allo stesso tempo una maggiore diffusione lunghezza dei vettori minoritari, che aumenta la potenza in uscita con l'illuminazione bifacciale. La tesi di Sangrador e il terzo percorso di sviluppo presso l'Università Tecnica di Madrid hanno proposto la cosiddetta cella solare a giunzione multipla con illuminazione verticale edge, in cui p+nn+ sono impilati e collegati in serie e illuminati dai loro bordi, che sono celle ad alta tensione che non necessitano di una rete metallica di superficie necessitano di produzione di energia elettrica.

Nel 1979, il laboratorio dei semiconduttori fu trasformato nell'Istituto dell'Energia Solare (IES-UPM), che, sotto Luque come primo direttore, portò avanti un'intensa ricerca sulle celle solari bifacciali fino al primo decennio del 21° secolo. , due studenti laureati brasiliani dell'Istituto di Energia Solare, Adriano, hanno sviluppato e prodotto Moehlecke e Izete Zanesco, insieme a Luque, hanno sviluppato una cella solare bifacciale che ha reso il 18,1% sul davanti e il 19,1% sul retro; un record bifacciale del 103% (all'epoca l'efficienza record per le celle monofacciali era di poco inferiore al 22%).

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Fonte *21012022-1