Celle solari al silicio ricevono una carica dagli strati superiori con nanofili
Il silicio continua a dominare l’industria delle celle solari, ma le tecnologie emergenti lo stanno usando in modi innovativi. Sfruttando il collaudato silicio quale cella base in tandem con nanofili di semiconduttori III-V (leghe di elementi provenienti dal gruppo III e dal gruppo V della tavola periodica) quale cella superiore, il progetto Nano-Tandem, finanziato dall’UE, intende eliminare le barriere per incrementare l’efficienza a un costo inferiore. Passi in avanti nella funzione e nel costo dei nanofili I nanofili sono bastoncini piccolissimi, larghi circa 100 nanometri e lunghi 10 micrometri. La cella tandem li sfrutta in configurazione verticale con circa 6-7 milioni di nanofili per millimetro quadrato di cella. Per la crescita di nanofili direttamente sul silicio è stata utilizzata l’epitassia selettiva assistita da template (TASE). Usando questo procedimento, i ricercatori hanno dimostrato giunzioni p-n attive in nanofili di fosfuro di indio gallio (InGaP) fatti crescere con la TASE. La nucleazione di nanofili su un substrato III-V anziché sul silicio ha fornito un miglioramento di oltre sette volte nell’efficienza di celle solari con nanofili di fosfuro di indio (InP), un 15 % da record. I nanofili funzionali necessitano di diodi tunnel, un elemento che è stato alquanto laborioso ottenere. Nano-Tandem ha eliminato questo ostacolo, dimostrando la capacità di produrre per la prima volta diodi tunnel con nanofili InP/InGaP. La caratterizzazione dei diodi tunnel mediante corrente indotta da fascio di elettroni (EBIC) è stata essenziale per migliorare la composizione della lega e quindi la qualità dei diodi. Per trasferire i nanofili sul silicio, gli scienziati li hanno integrati in una membrana polimerica, hanno rimosso la membrana e l’hanno legata alla sua nuova cella di fondo. Dopo tre utilizzi, i substrati originali erano sempre uguali e potevano quindi supportare ulteriori utilizzi e riduzioni dei costi. Infine, il gruppo di ricerca ha ottimizzato una tecnica molto promettente, l’aerotassia, che consente di far crescere nanofili dalle particelle seme direttamente nella fase gassosa senza un substrato. I tassi di crescita sono da 100 a 1 000 volte più veloci rispetto alla tradizionale crescita epitassiale e promettono quindi una riduzione drastica dei costi. Il coordinatore del progetto Lars Samuelson spiega: «Formare nanofili mediante aerotassia in una membrana è stato veramente arduo». Gli scienziati di Nano-Tandem hanno beneficiato di un procedimento specializzato a inchiostro per allineare i fili. Con questa tecnica ad alta produttività, il gruppo ha fabbricato giunzioni p-n dei nanofili di arseniuro di gallio (GaAs) di alta qualità. Secondo i leader del progetto «il prezzo previsto di un modulo tandem con nanofili GaAs/Si con un’efficienza del 28 % prodotto mediante processo ad aerotassia è pari a 0,296 USD/W. Il prezzo futuro previsto dei convenzionali moduli in silicio cristallino è pari a 0,39 USD/W per un modulo con un’efficienza del 25 %». Un’efficienza più elevata a un prezzo notevolmente inferiore dovrebbe rendere la tecnologia della cella solare di Nano-Tandem vincente per i mercati globali delle energie rinnovabili. Innovativa cattura della luce per celle solari basate su nanofili Le convenzionali celle solari al silicio ad alta efficienza usano meccanismi di cattura della luce che sfruttano la strutturazione del lato frontale per aumentare l’assorbimento. Questa, però, non è un’opzione per le celle solari tandem con nanofili/silicio, quindi Nano-Tandem ha sviluppato una struttura per la cattura della luce fotonica sul lato posteriore, grazie alla quale gli scienziati hanno ottenuto un nuovo record mondiale nell’efficienza di conversione (33,3 %) per una cella solare tandem III-V/silicio a film sottile. Applicazioni nell’energia solare e oltre L’ottimizzazione del processo e gli sviluppi nella caratterizzazione di Nano-Tandem hanno migliorato la crescita e la funzionalità dei nanofili, potenziando al contempo l’efficienza della cella di silicio di fondo. I risultati dettagliati possono essere riscontrati nelle 38 pubblicazioni scientifiche a revisione paritaria. Questi risultati aprono la strada a celle solari tandem-nanofili III-V/silicio a basso costo e grande superficie e alla leadership europea nel mercato in crescita del fotovoltaico. Dovrebbero inoltre generare innovazione in dispositivi quali LED, microelettronica e sensori.
Parole chiave
Nano-Tandem, nanofilo, silicio, cella solare, tandem, efficienza, III-V, aerotassia, diodo tunnel, basso costo, TASE
