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

Una cella solare al silicio fu brevettata per la prima volta nel 1946 da Russell Ohl mentre lavorava ai Bell Labs e presentata pubblicamente nel 1954 da Fuller, Chapin e Pearson presso lo stesso istituto di ricerca; tuttavia, queste prime proposte erano celle monofacciali, la cui parte posteriore non era destinata a essere attiva.

La prima cella solare bifacciale proposta teoricamente si trova in un brevetto giapponese datato 4 ottobre 1960, depositato da Hiroshi Mori, che lavorava per Hayakawa Denki Kogyo Kabushiki Kaisha (Hayakawa Electric Industry Co. Ltd.), che in seguito divenne Sharp Corporation. La cella proposta era una struttura bifacciale PNP con elettrodi di contatto su due bordi opposti.

Le prime dimostrazioni di celle e pannelli solari bifacciali, tuttavia, furono condotte nell'ambito del programma spaziale sovietico sulle stazioni spaziali militari LEO Salyut 3 (1974) e Salyut 5 (1976). Queste celle solari bifacciali furono sviluppate e prodotte da Bordina et al. presso il VNIIT (Istituto di Ricerca Scientifica delle Fonti Energetiche dell'Unione Europea) di Mosca, che nel 1975 divenne il produttore russo di celle solari KVANT. Nel 1974, questo team depositò un brevetto statunitense proponendo le celle sotto forma di mini-pipedi paralleli con una dimensione massima di 1 mm x 1 mm x 1 mm, collegate in serie per ottenere una densità di 100 celle/cm². Come per le attuali BSC, proposero l'uso di composti isotipici pp+ in prossimità di una delle superfici riceventi la luce. Nella Salyut 3, piccoli pannelli sperimentali con una superficie cellulare totale di 24 cm² hanno mostrato un aumento della produzione di energia per orbita satellitare fino al 34% rispetto ai pannelli monofacciali utilizzati all'epoca, grazie all'albedo terrestre. Durante il volo della stazione spaziale Salyut 5, è stato osservato un guadagno del 17-45% grazie all'uso di pannelli bifacciali (0,48 m² - 40 W).

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, sotto la direzione del professor Antonio Luque, stava conducendo in modo indipendente un ampio programma di ricerca per sviluppare celle solari bifacciali applicabili a livello industriale. Mentre il brevetto di Mori e i prototipi del veicolo spaziale VNIIT-KVANT si basavano su minuscole celle prive di griglia metallica sulla superficie e quindi complesse interconnessioni, più nello stile dei dispositivi microelettronici allora agli albori, Luque avrebbe depositato due brevetti spagnoli nel 1976 e nel 1977 e uno negli Stati Uniti nel 1977, che furono precursori delle moderne celle bifacciali. I brevetti di Luque furono i primi a proporre BSC con una cella per wafer di silicio, come accadeva all'epoca e come accade ancora oggi con le celle monofacciali, con griglie metalliche su entrambe le superfici. Consideravano sia le strutture npp+ che pnp.

Lo sviluppo delle celle solari a base di semiconduttori (BSC) nel laboratorio di semiconduttori è stato affrontato in tre fasi, culminate in tre tesi di dottorato di Andrés Cuevas (1980), Javier Eguren (1981) e Jesús Sangrador (1982). Le prime due sono state supervisionate da Luque, mentre la terza dal Dr. Gabriel Sala dello stesso gruppo. La tesi di Cuevas riguardava la realizzazione del primo brevetto di Luque del 1976, che, per via della sua struttura npn simile a quella di un transistor, fu chiamata "transcell". La tesi di Eguren si è concentrata sulla dimostrazione del secondo brevetto di Luque del 1977, caratterizzato da un profilo di drogaggio npp+ in cui la giunzione isotopica pp+ è situata in prossimità della superficie posteriore della cella, creando quello che comunemente viene definito "campo di superficie posteriore" (BSF) nella tecnologia delle celle solari. Questo lavoro ha portato a diverse pubblicazioni e a ulteriori brevetti. In particolare, l'effetto benefico della riduzione del drogaggio p nella base è risultato significativo, poiché la riduzione della tensione alla giunzione dell'emettitore (giunzione pn anteriore) è stata compensata da un aumento di tensione alla giunzione isotipica posteriore, consentendo al contempo una maggiore lunghezza di diffusione dei portatori minoritari, il che aumenta la corrente in uscita sotto illuminazione bifacciale. Nella tesi di dottorato di Sangrador e nel suo terzo approccio di sviluppo presso l'Università Tecnica di Madrid, è stata proposta la cosiddetta cella solare multigiunzione verticale a illuminazione laterale, in cui le celle p+nn+ sono impilate e collegate in serie e illuminate dai bordi. Si tratta di celle ad alta tensione che non richiedono una griglia metallica superficiale per la generazione di corrente.

Nel 1979, il laboratorio di semiconduttori fu trasformato nell'Istituto per l'Energia Solare (IES-UPM) che, con Luque come primo direttore, continuò l'intensa ricerca sulle celle solari bifacciali fino al primo decennio del XXI secolo. Ad esempio, nel 1994, due dottorandi brasiliani presso l'Istituto per l'Energia Solare, Adriano Moehlecke e Izete Zanesco, insieme a Luque, svilupparono e produssero una cella solare bifacciale che raggiungeva un'efficienza del 18,1% sulla parte anteriore e del 19,1% su quella posteriore; un record bifacciale del 103% (all'epoca, l'efficienza record per le celle monofacciali era di poco inferiore al 22%).

 

 

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