Lo spazio costituisce a tutti gli effetti la nuova frontiera del fotovoltaico. Nonostante la tecnologia abbia già da tempo dato prova delle sue potenzialità in orbita – era il 1958 quando il primo satellite dotato di pannelli solari fu lanciato dagli Stati Uniti – oggi si guarda alle celle solari per applicazioni spaziali con un rinnovato interesse. L’idea di creare gigantesche centrali elettriche “al largo” del pianeta sta rapidamente coinvolgendo le più grandi agenzie spaziali del mondo, ESA compresa, e trovare il modulo “giusto” risulta oggi ancora più fondamentale.
La ricerca di settore si è focalizzata fino agli anni 2000 sull’impiego del silicio, per poi progressivamente lasciare il posto a semiconduttori del Gruppo III-V, come l’arsenuro di gallio. Oggi, i nuovi progressi raggiunti nelle celle solari al silicio commerciali, unitamente ai bassi prezzi conseguiti, hanno riportato lo storico semiconduttore nuovamente al centro dell’attenzione scientifica. Tuttavia, mancano studi approfonditi sugli effetti di elementi come gli elettroni ad alta energia sulle attuali architetture commerciali.
Un gap colmato in parte dalla nuova ricerca svolta presso l’University of New South Wales. Qui un gruppo di ingegneri ha esaminato l’impatto dell’irradiazione elettronica – un fattore chiave di degrado in orbita – sulle prestazioni elettriche dei wafer di silicio e delle celle fotovoltaiche ad alte prestazioni di tipo p-PERC, n-TOPCon e p-TOPCon.
Nel dettaglio, il gruppo ha analizzato i difetti indotti da fasci di elettroni a 1MeV, caratterizzandoli tramite Defect Parameterisation Solution Space – DPSS (letteralmente Spazio delle Soluzioni per la Parametrizzazione dei Difetti) e spettroscopia.
Inoltre, è stata condotta un’analisi dettagliata sulla densità di corrente di cortocircuito, la tensione a circuito aperto, l’efficienza quantica esterna integrata della cella e la durata effettiva dei portatori minoritari dopo l’esposizione a diverse dosi e diversi livelli di energia degli elettroni. Il risultato? Nel complesso, appare evidente che, senza ulteriori interventi, le celle solari in silicio non sono ancora adatte alle applicazioni spaziali. Gli scienziati hanno evidenziato una riduzione della vita media dei portatori minoritari da circa 75.000 µs iniziali a 240 µs dopo una dose di 1012 e/cm2 di elettroni a 1MeV.
La vita è ulteriormente diminuita a 0,2 µs dopo la dose massima di 1015 e/cm2.
Questa riduzione della vita media si traduce in una perdita di efficienza misurata tramite l’efficienza quantica esterna integrata (EQE) rispetto al valore iniziale, pari a:
- il 27,5% per le celle solari p-PERC;
- il 33,3% per le celle n-TOPCon.
L’analisi comparativa suggerisce che la degradazione osservata dopo il flusso di elettroni ad alta energia è paragonabile a 3-5 anni di condizioni spaziali in orbita terrestre bassa (LEO), fattore estremamente limitante per l’uso delle celle solari nelle applicazioni spaziali. Ciò evidenzia la necessità di sviluppare architetture commerciali con maggiore tolleranza alle radiazioni.
Leggi tutta la ricerca “Electron radiation-induced degradation of silicon solar cells” su Solar Energy Materials and Solar Cells.