Substrato di germanio: una piattaforma promettente per celle solari multigiunzione
Il mondo guarda alle energie rinnovabili, come l’energia solare, per ridurre le emissioni di gas serra e risolvere l’incombente crisi energetica. Tuttavia, lo sviluppo di celle solari ad alta efficienza in grado di convertire una quantità notevole di luce solare in energia elettrica a costi molto bassi rimane una sfida significativa. Il fotovoltaico a concentrazione, che utilizza sistemi ottici per concentrare la potenza del Sole su celle solari multigiunzione ad alta efficienza, può svolgere un ruolo importante nell’aumento della generazione di energia solare. Questa tecnologia richiede celle secondarie con bande proibite diverse per assorbire parti diverse dello spettro solare al fine di realizzare elevate efficienze della conversione energetica teorica. Specchi o lenti ad alte prestazioni possono concentrare la luce del sole su queste minuscole celle oltre 500 volte di più rispetto al fotovoltaico piano convenzionale. Tuttavia, questa tecnologia richiede un’ulteriore riduzione dei costi. Perfetta corrispondenza di cristalli La combinazione di due tecnologie è un passo pratico per rendere i sistemi fotovoltaici a concentrazione più competitivi rispetto ad altre forme di generazione di energia. Questo significa prendere un wafer a basso costo e utilizzarlo come base per la creazione di molti dispositivi multigiunzione ad alta efficienza con vari strati di semiconduttori composti. «Unire la distanza atomica degli strati successivi è un elemento fondamentale quando si combinano materiali con determinate energie di banda proibita», osserva Gerald Siefer, coordinatore del progetto CPVMatch, finanziato dall’UE. Come spiega ulteriormente, diversi metodi, tra cui la crescita metamorfica e il «wafer bonding», possono essere usati per superare l’asimmetria del reticolo. Tuttavia, è preferibile utilizzare materiali con lo stesso parametro reticolare piuttosto che spingere celle multigiunzione verso efficienze più elevate a basso costo. I ricercatori del progetto hanno eseguito con successo una prova di concetto utilizzando un wafer di germanio e quindi aggiungendo una struttura reticolata di silicio-germanio-stagno (SiGeSn) per formare una giunzione 1 eV. L’aggiunta successiva di materiali III-V consentirà la creazione di giunzioni superiori che porterà a un’architettura del dispositivo in grado di fornire efficienze molto elevate. «Questa è la prima volta in cui un elemento semiconduttore IV di qualità elevata (SiGeSn) viene coltivato in maniera epitassiale su un substrato di germanio sullo stesso reattore di crescita degli elementi semiconduttore III-V», aggiunge Siefer. Costo inferiore rispetto alla sua controparte Le celle fotovoltaiche ad altissima efficienza implementano in parte substrati basati su fosfuro d’indio (InP) per convertire in modo efficiente la radiazione solare in energia elettrica. «Il record mondiale di efficienza delle celle solari multigiunzione con un substrato di InP è del 46 %. Tuttavia, questo materiale è molto più costoso del germanio», osserva Siefer. La nuova cella solare a quattro giunzioni CPVMatch con substrato di germanio ha raggiunto un’efficienza del 42,6 %. Il progetto ha sviluppato e dimostrato con successo altri elementi costitutivi tecnici che, messi insieme, aumenteranno l’efficienza delle celle fino al 46 %. Superare gli svantaggi delle lenti standard La maggior parte dei moduli fotovoltaici a concentrazione utilizza le cosiddette lenti «silicone-on-glass» (SoG). Sebbene queste lenti siano economiche, introducono l’aberrazione cromatica e le loro prestazioni dipendono in modo significativo dalla temperatura ambiente. I ricercatori hanno sperimentato lenti acromatiche per ridurre la distorsione. Nonostante siano potenzialmente capaci di produrre un dispositivo ad altissime prestazioni, sono costose. Per evitare i limiti del SoG e ridurre al minimo i costi, i ricercatori si sono concentrati su un processo di produzione economico per lenti acromatiche e su moduli fotovoltaici a concentrazione intelligenti e altamente compatti a specchio. Entrambi vantano una serie di vantaggi rispetto alle lenti standard: nessun problema con la distorsione cromatica associata a maggiori efficienze di conversione solare. CPVMatch ha dimostrato concetti che riducono i costi delle celle solari e aumentano l’efficienza per garantire che i sistemi fotovoltaici a concentrazione diventino più competitivi in futuro. «I sistemi fotovoltaici ad alta concentrazione possono raggiungere livelli di efficienza che il fotovoltaico piano non raggiungerà mai. Inoltre, la loro impronta di carbonio inferiore (come è stato dimostrato), che va da 16 a 18 grammi di CO2 per kilowattora di elettricità prodotta, è di fondamentale importanza per la decarbonizzazione del sistema energetico», aggiunge Siefer.
Parole chiave
CPVMatch, fotovoltaico a concentrazione, celle solari multigiunzione, substrato di germanio, silicio-germanio-stagno (SiGeSn), reticolo-abbinato, semiconduttore IV, semiconduttore III-V, lenti acromatiche, specchio, ottica
