Nuovo record di celle solari – Nuovo record di celle solari

Pubblicato il: 10 agosto 2020 / Aggiornamento del: 17 agosto 2020 - Autore: Konrad Wolfenstein

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Efficienze più elevate in tandem: nuovo record per le celle solari

La ricerca sul fotovoltaico sta lavorando duramente per aumentare ulteriormente l’efficienza delle celle solari. L’attenzione è sempre più rivolta al fotovoltaico tandem, in cui potenti materiali di celle solari vengono riuniti in diverse combinazioni per utilizzare lo spettro solare in modo ancora più efficiente quando si converte la luce in energia elettrica. Fraunhofer ISE ha ora registrato un nuovo record di efficienza del 25,9% per una cella solare tandem III-V/Si cresciuta direttamente su silicio. Questo è stato prodotto per la prima volta su un substrato di silicio economicamente vantaggioso: un'importante pietra miliare sulla strada verso soluzioni economiche per il fotovoltaico tandem.

Diverse celle solari tandem III-V su un substrato di silicio con un diametro di 10 cm - © Fraunhofer ISE - Foto: Markus Feifel

L'Istituto Fraunhofer per i sistemi ad energia solare ISE lavora da molti anni su più celle solari, in cui due o tre sottocelle sono disposte una sopra l'altra per convertire diverse lunghezze d'onda della luce solare in elettricità. Come assorbitore della parte infrarossa dello spettro è adatto il silicio, sopra il quale sono applicati strati di semiconduttori III-V spessi pochi micrometri, materiali dei gruppi III e V della tavola periodica, che convertono l'ultravioletto, il visibile e la luce del vicino infrarosso in modo più efficiente nella camminata elettrica. Le celle solari a semiconduttore puro III-V sono già utilizzate nello spazio e nel fotovoltaico a concentrazione. Attraverso processi più economici in combinazione con il silicio come sottocella più bassa, in futuro la tecnologia tandem dovrebbe essere resa accessibile anche al fotovoltaico su vasta scala. Tuttavia, c’è ancora molta strada da fare fino ad allora.

25,9% per le celle solari tandem III-V/Si coltivate direttamente su silicio

Esistono diversi approcci per creare combinazioni di celle solari III-V e al silicio. Dal 2019, Fraunhofer ISE detiene il valore record mondiale di un'efficienza del 34,1% (ora 34,5%) per una cella solare tandem in cui gli strati semiconduttori III-V vengono trasferiti da un substrato di arseniuro di gallio al silicio, con gli strati che passano attraverso un così -chiamati wafer -Bond sono collegati. Questa tecnologia è efficiente ma costosa. Fraunhofer ISE lavora quindi da molti anni su processi di produzione più diretti in cui gli strati III-V vengono depositati o epitassializzati su una cella solare in silicio. È fondamentale mantenere un’elevata qualità dei cristalli in tutti gli strati: una sfida importante. Per una cella solare tandem III-V/Si coltivata direttamente su silicio è stato ora raggiunto un nuovo record mondiale di efficienza del 25,9%. Lo scienziato del Fraunhofer ISE Markus Feifel ha recentemente potuto presentare il suo successo alla 47a IEEE Photovoltaic Specialists Conference, che come molte conferenze si sta attualmente svolgendo online, ed è stato insignito dello Student Award nella categoria Hybrid Tandem Solar Cells. "La complessa struttura interna della cella non è visibile dall'esterno perché tutti gli assorbitori sono collegati tra loro e collegati elettricamente da ulteriori strati di cristalli", spiega il giovane ricercatore di celle solari, che ha aumentato il risultato del suo lavoro da 24,3 a 25,9 in meno di un anno per cento potrebbe migliorare. "Questo successo è stato ottenuto sostituendo un singolo strato sottile all'interno della cella multipla", spiega ulteriormente. "Un'attenta analisi delle nostre cellule ha rivelato che questo strato creava una barriera alla conduzione elettrica."

I ricercatori del Fraunhofer sviluppano la tecnologia a piccoli passi dal 2007 insieme alla TU Ilmenau, Philipps Univ. Marburg e la ditta Aixtron sono stati allestiti speciali sistemi di epitassia ed è stato esaminato ogni singolo strato della struttura. Questi sviluppi sono stati finanziati dal Ministero federale della ricerca BMBF nell’ambito dei progetti “III-V-Si” e “MehrSi”. Una particolarità della nuova cella solare tandem è che gli strati III-V non sono stati cresciuti su un substrato lucidato chimicamente e meccanicamente, come avveniva in precedenza, ma su un wafer di silicio, che dopo aver segato il cristallo in un semplice processo utilizzando solo sono stati trattati processi economici di macinazione e incisione. Nell'ambito del progetto europeo “SiTaSol”, l'azienda danese Topsil ha sviluppato questi wafer di silicio, compiendo così un passo importante verso la produzione economica delle nuove celle solari a giunzioni multiple. In futuro l'obiettivo sarà quello di aumentare ulteriormente l'efficienza e di depositare gli strati ancora più velocemente, con una maggiore produttività e quindi in modo più economico, con l'obiettivo che il fotovoltaico tandem dia un contributo importante al fotovoltaico necessario per la transizione energetica - può raggiungere l’espansione.

Tecnologia chiave per la transizione energetica

L’elettricità prodotta dalle celle solari è oggi la forma più economica di generazione di energia in molte parti del mondo. “La ricerca europea sul fotovoltaico ha numerosi concetti in fase di sviluppo per sviluppare ulteriormente l’efficienza di questa tecnologia chiave per la transizione energetica”, afferma il Prof. Dr. Stefan Glunz, responsabile Fotovoltaico – Ricerca. "Non stiamo solo lavorando per rendere la produzione di celle solari in silicio ancora più sostenibile ed economicamente vantaggiosa, ma allo stesso tempo stiamo esplorando nuovi modi per utilizzare il collaudato silicio insieme ad altri materiali semiconduttori per ottenere efficienze ancora più elevate. Possiamo raggiungere questo obiettivo con il fotovoltaico tandem.« Il fotovoltaico tandem non solo apre la strada al futuro della produzione di elettricità, queste celle solari - grazie alla loro tensione più elevata - sono ideali anche per l'elettrolisi, la decomposizione diretta dell'acqua in idrogeno e ossigeno. Questa tecnologia contribuisce quindi anche alla produzione di idrogeno come dispositivo di stoccaggio dell’energia e un importante elemento costitutivo per la transizione energetica.

Struttura a strati della cella solare a giunzione multipla III-V/Si – © Fraunhofer ISE

Struttura a strati della cella solare multipla III-V/Si, efficienza quantistica e caratteristiche IV in condizioni spettrali AM 1,5 g

Efficienze più elevate in tandem: nuovo record per le celle solari

La ricerca sul fotovoltaico sta lavorando duramente per aumentare continuamente l’efficienza delle celle solari. L'attenzione è sempre più rivolta al fotovoltaico tandem, in cui i materiali delle celle solari ad alte prestazioni vengono riuniti in varie combinazioni per utilizzare lo spettro solare in modo ancora più efficiente per convertire la luce in energia elettrica. Fraunhofer ISE riporta ora un nuovo record di efficienza del 25,9% per una cella solare tandem III-V/Si cresciuta direttamente su silicio. Questo è stato prodotto per la prima volta su un substrato di silicio a basso costo: una pietra miliare importante sulla strada verso soluzioni economiche per il fotovoltaico tandem.

Diverse celle solari tandem III-V su un substrato di silicio con un diametro di 10 cm – © Fraunhofer ISE – Foto: Markus Feifel

L'Istituto Fraunhofer per i sistemi ad energia solare ISE lavora da molti anni su celle solari multigiunzione in cui due o tre celle parziali sono disposte una sopra l'altra per convertire diverse lunghezze d'onda della luce solare in elettricità. Il silicio è adatto come assorbitore per la parte infrarossa dello spettro e strati di semiconduttori III-V, materiali dei gruppi III e V della tavola periodica, che convertono in modo più efficiente la luce ultravioletta, visibile e del vicino infrarosso in elettricità depositata su sopra di esso. Le celle solari a semiconduttore puro III-V sono già utilizzate nello spazio e nel fotovoltaico a concentrazione. Attraverso processi più economici in combinazione con il silicio come sottocella più bassa, in futuro la tecnologia tandem dovrà essere resa accessibile per il fotovoltaico su vasta scala. Tuttavia, c’è ancora molta strada da fare fino ad allora.

25,9% per le celle solari tandem III-V/Si coltivate direttamente su silicio

Esistono diversi approcci per produrre combinazioni di celle solari III-V e al silicio. Dal 2019, ad esempio, il Fraunhofer ISE detiene il record mondiale di efficienza del 34,1% (ora 34,5%) per una cella solare tandem in cui gli strati semiconduttori III-V vengono trasferiti da un substrato di arseniuro di gallio al silicio, con gli strati collegati mediante un cosiddetto legame wafer. Questa tecnologia è efficiente ma costosa. Per questo motivo Fraunhofer ISE lavora da molti anni su processi di produzione più diretti in cui gli strati III-V vengono depositati o epitassiati su una cella solare in silicio. Qui è fondamentale mantenere un’elevata qualità dei cristalli di tutti gli strati: una sfida importante. Per una cella solare tandem III-V/Si coltivata direttamente su silicio è stato ora raggiunto un nuovo record mondiale di efficienza del 25,9%. Lo scienziato del Fraunhofer ISE Markus Feifel ha recentemente potuto presentare il suo successo alla 47a IEEE Photovoltaic Specialists Conference, che, come molte conferenze attualmente, si tiene online, ed è stato insignito dello Student Award nella categoria Hybrid Tandem Solar Cells. "Dall'esterno la complessa struttura interna della cella non è visibile, poiché tutti gli assorbitori sono collegati tra loro da ulteriori strati di cristalli e cablati elettricamente", spiega il giovane ricercatore di celle solari, che ha così potuto migliorare il risultato del suo lavorano dal 24,3 al 25,9 per cento in meno di un anno. "Questo successo è stato ottenuto sostituendo un singolo strato sottile all'interno di più celle", continua. “Un’attenta analisi delle nostre cellule ha rivelato che questo strato creava una barriera alla linea elettrica”.

A piccoli passi, i ricercatori del Fraunhofer hanno sviluppato ulteriormente la tecnologia dal 2007 in collaborazione con l'Università Tecnica di Ilmenau, Philipps Univ. Marburg e la società Aixtron, installando speciali apparecchiature per l'epitassia ed esaminando ogni singolo strato della struttura. Questi sviluppi sono stati finanziati dal Ministero federale tedesco dell’Istruzione e della Ricerca (BMBF) nell’ambito dei progetti “III-V-Si” e “MehrSi”. Una particolarità della nuova cella solare tandem è che gli strati III-V non sono stati cresciuti su un substrato lucidato chimicamente e meccanicamente come avveniva in precedenza, ma su un wafer di silicio che, dopo aver segato il cristallo, è stato trattato con un processo semplice utilizzando solo processi di macinazione e incisione poco costosi. Nell'ambito del progetto europeo “SiTaSol” l'azienda danese Topsil ha sviluppato questi wafer di silicio realizzando così un passo importante verso la produzione economica delle nuove celle solari multigiunzione. In futuro l'obiettivo sarà quello di aumentare ulteriormente l'efficienza e anche di realizzare la deposizione degli strati ancora più velocemente, con una maggiore produttività e quindi in modo più economico, con l'obiettivo che il fotovoltaico tandem possa dare un importante contributo all'espansione fotovoltaica necessari per la svolta energetica.

Tecnologia chiave per la trasformazione del sistema energetico

Oggi in molte parti del mondo, l’elettricità prodotta dalle celle solari è la forma più economica di generazione di energia. “La ricerca europea sul fotovoltaico sta lavorando su numerosi concetti per sviluppare ulteriormente l’efficienza di questa tecnologia chiave per la svolta energetica”, afferma il Prof. Dr. Stefan Glunz, capo della divisione di ricerca sul fotovoltaico. “Non stiamo solo lavorando per rendere la produzione di celle solari in silicio ancora più sostenibile ed economicamente vantaggiosa, ma allo stesso tempo stiamo anche aprendo nuove strade per portare il collaudato silicio in combinazione con altri materiali semiconduttori a efficienze ancora più elevate . Stiamo raggiungendo questo obiettivo con il fotovoltaico tandem. Il fotovoltaico tandem non solo apre la strada al futuro della produzione di energia, queste celle solari – grazie alla loro tensione più elevata – sono ideali anche per l’elettrolisi, la decomposizione diretta dell’acqua in idrogeno e ossigeno. Questa tecnologia contribuisce quindi anche alla produzione di idrogeno come mezzo di stoccaggio dell’energia e un elemento importante per la svolta energetica.

Struttura a strati della cella solare multigiunzione III-V/Si – © Fraunhofer ISE

Struttura dello strato della cella solare multi-giunzione III-V/Si, efficienza quantistica e caratteristiche IV in condizioni spettrali AM 1,5 g