Efficienze sopra il 40% e costi contenuti per le celle solari III-V

Un gruppo di scienziati di San Pietroburgo ha proposto e testato sperimentalmente una tecnologia per la fabbricazione di celle solari ad alta efficienza basate su semiconduttori A3B5 integrati su un substrato di silicio

celle solari III-V
Credit: Pxhere – CC0 Public Domain

Un nuovo metodo di produzione poter aumentare di 1,5 volte l’efficienza delle celle solari III-V

(Rinnovabili.it) – La tecnologia fotovoltaica sta vivendo un momento d’oro a livello mondiale. Tra progressi tecnologici e nuovi investimenti gli impianti solari sono destinati a registrare tassi di crescita a doppia cifra anche nel nuovo decennio (leggi anche Fotovoltaico 2020: scendono i prezzi, aumenta l’efficienza). Tuttavia esistono ancora dei fattori limitanti per questo mercato. Uno di questi è l’efficienza di conversione della luce in elettricità: i prodotti più diffusi sul mercato oggi hanno una resa intorno al 20 per cento. In realtà è da tempo possibile ottenere valor maggiori ma con tecnologie a semiconduttore molto più complesse, come ad esempio le celle solari III-V, che aumentano significante il prezzo del fotovoltaico.

Un gruppo di scienziati dell’Università ITMO, a San Pietroburgo, ha proposto una nuova soluzione a questo problema.

 

“Le più comuni celle solari sono a base di silicio”, spiega Ivan Mukhin, ricercatore presso l’ateneo russo. “Si tratta di un materiale relativamente economico e diffuso. Il problema è che il silicio è un semiconduttore indiretto e assorbe la luce piuttosto male, limitando il suo utilizzo in celle solari efficienti. Esistono altri materiali, come i composti semiconduttori A3B5, che sono molto più efficaci nell’assorbire la luce ma allo stesso tempo molto più costosi, il che aumenta significativamente il saldo finale. Di conseguenza, nonostante la loro alta efficienza, non è redditizio produrli”.

Ed è proprio da qui che è partita la ricerca dell’Università ITMO. Il team russo ha testato i semiconduttori A3B5 nella produzione di celle solari III-V  (elementi del terzo e quinto gruppo della tavola periodica) multi-giunzione .

 

Nella famiglia A3B5 rientrano materiali più e mono celebri per il settore fotovoltaico come l’arseniuro di gallio (GaAs) e il fosfuro di indio (InP). Il lavoro del gruppo ha dimostrato che le strutture A3B5 potrebbero essere coltivate su un substrato di silicio economico, fornendo una riduzione del prezzo delle celle solari multi-giunzione. “La principale difficoltà nella sintesi epitassiale sul substrato di silicio è che il semiconduttore depositato deve avere lo stesso parametro reticolare cristallino del silicio. In parole povere, gli atomi di questo materiale dovrebbero trovarsi alla stessa distanza l’uno dall’altro di quelli di silicio”, aggiunge Mukhin. Sfortunatamente, ci sono pochi semiconduttori che soddisfano questo requisito: un esempio è il fosfuro di gallio (GaP) che tuttavia ha scarse proprietà di assorbimento della luce solare. “Ma se prendiamo il GaP e aggiungiamo azoto (N), otteniamo una soluzione di GaPN. Anche a basse concentrazioni di azoto, questo materiale è ottimo per assorbire la luce, oltre ad avere la capacità di essere integrato su un substrato di silicio”.  

 

I ricercatori hanno sviluppato il primo piccolo prototipo di cella solare basato su А3B5 su substrato di silicio e sono convinti che l’efficienza dell’unità possa aumentare con l’aggiunta di ulteriori strati fotoattivi. “Se si aggiunge arsenico, si ottiene la lega GaPNA quaternaria, e da essa è possibile far crescere su un substrato di silicio diverse giunzioni che operano in diverse parti dello spettro solare. Come dimostrato nel nostro precedente lavoro, la potenziale efficienza di tali celle solari può superare il 40% sotto concentrazione luminosa, che è 1,5 volte superiore a quella delle moderne tecnologie in silicio”.

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