Fonte: energy.gov
SFONDO
I dispositivi multijunction ad alta efficienza utilizzano più gap di banda, o giunzioni, sintonizzati per assorbire una regione specifica dello spettro solare per creare celle solari con efficienze record superiori al 45%. La massima efficienza teorica che una cella solare a banda singola può raggiungere con la luce solare non concentrata è di circa il 33,5%, principalmente a causa dell'ampia distribuzione di fotoni emessi solari. Questa efficienza limitante, nota come limite di Shockley-Queisser, deriva dal fatto che la tensione a circuito aperto (Voc) di una cella solare è limitata dal gap di banda del materiale assorbente e che i fotoni con energie al di sotto del gap di banda non vengono assorbiti. I fotoni che hanno energie maggiori del gap di banda vengono assorbiti, ma l'energia maggiore del gap di banda viene persa come calore.
I dispositivi multi-giunzione utilizzano una cella superiore ad alta larghezza di banda per assorbire i fotoni ad alta energia consentendo al contempo ai fotoni di energia inferiore di passare. Un materiale con una larghezza di banda leggermente inferiore viene quindi posizionato sotto la giunzione di larghezza di banda elevata per assorbire i fotoni con leggermente meno energia (lunghezze d'onda più lunghe). Le celle multijunction tipiche utilizzano due o più giunzioni assorbenti e la massima efficienza teorica aumenta con il numero di giunzioni. Le prime ricerche sui dispositivi multigiunzione hanno sfruttato le proprietà dei semiconduttori costituiti da elementi nelle colonne III e V della tavola periodica, come il gallio indio fosfato (GaInP), il gallio indio arsenide (GaInAs) e il gallio arsenide (GaAs). I dispositivi a tre giunzioni che utilizzano semiconduttori III-V hanno raggiunto efficienze superiori al 45% utilizzando la luce solare concentrata. Questa architettura può anche essere trasferita ad altre tecnologie di celle solari e sono in fase di studio celle multi-giunzione realizzate con CIGS, CdSe, silicio, molecole organiche e altri materiali.
In passato, i dispositivi multijunction sono stati utilizzati principalmente nello spazio, dove esiste un premio per la generazione di energia leggera, che consente l'utilizzo di questa tecnologia solare relativamente costosa. Per le applicazioni terrestri, i costi elevati di questi substrati semiconduttori (rispetto al silicio, ad esempio) possono essere compensati usando l'ottica di concentrazione, con i sistemi attuali principalmente utilizzando le lenti Fresnel. L'ottica di concentrazione aumenta la quantità di luce incidente sulla cella solare, portando così a una maggiore produzione di energia. L'uso dell'ottica di concentrazione richiede l'uso del inseguimento solare a doppio asse, che deve essere preso in considerazione nel costo del sistema.
INDICAZIONI DI RICERCA
Sebbene le celle III-V multi-giunzione abbiano efficienze più elevate rispetto alle tecnologie concorrenti, tali celle solari sono notevolmente più costose a causa delle attuali tecniche e materiali di fabbricazione. Pertanto, gli sforzi di ricerca attiva sono diretti a ridurre il costo dell'elettricità generata da queste celle solari attraverso approcci come lo sviluppo di nuovi materiali di substrato, materiali di assorbimento e tecniche di fabbricazione; aumento dell'efficienza; e l'estensione del concetto di multigiunzione ad altre tecnologie fotovoltaiche. Inoltre, a causa del costo di tali celle solari, lo sviluppo di soluzioni affidabili a basso costo per il monitoraggio e la concentrazione sono anche aree di ricerca attive per supportare la riduzione dei costi per i sistemi fotovoltaici che utilizzano celle multi-giunzione.
Ulteriori informazioni sui vincitori e sui progetti che coinvolgono celle III-V ad alta efficienza di seguito.
Ohio State University: Columbus Campus (Ricerca e sviluppo nel settore fotovoltaico)
Arizona State University (Ricerca e sviluppo nel settore fotovoltaico)
University of Oregon (Ricerca e sviluppo nel settore fotovoltaico: piccoli progetti innovativi nel solare)
South Dakota School of Mines and Technology (Ricerca e sviluppo nel settore fotovoltaico: piccoli progetti innovativi nel solare)
Arizona State University (Ricerca e sviluppo nel settore fotovoltaico: piccoli progetti innovativi nel solare)
nLiten Energy (Ricerca e sviluppo nel settore fotovoltaico: piccoli progetti innovativi nel solare)
Università della California, Berkeley (progetti di prossima generazione Photovoltaics II)
California Institute of Technology (progetti di prossima generazione Photovoltaics II)
North Carolina State University (Programma di base per migliorare l'efficienza cellulare)
Laboratorio nazionale per le energie rinnovabili (programma di base per migliorare l'efficienza cellulare)
Ohio State University (Programma di base per migliorare l'efficienza cellulare)
Università di Houston (Next Generation Photovoltaics 3 Projects)
Laboratorio nazionale per le energie rinnovabili (progetti fotovoltaici di nuova generazione 3)
BENEFICI
I vantaggi delle celle solari multifunzione III-V includono:
Abbinamento dello spettro: le celle ad alta efficienza (> 45%) possono essere fabbricate abbinando le sezioni dello spettro solare con strati di assorbitore specifici con spazi di banda specifici.
Struttura cristallina: le varie combinazioni di semiconduttori III-V hanno strutture cristalline simili e proprietà ideali per le celle solari, tra cui lunghezze di diffusione dell'eccitone, mobilità portante e spettri di assorbimento compatibili.
PRODUZIONE
Le tradizionali celle multi-giunzione III-V sono assemblate in una pila monolitica epitassiale con sottocellule collegate in serie attraverso giunzioni tunnel. La costruzione di una cella a più giunzioni in una pila monolitica comporta vincoli di materiale e la fabbricazione di tali dispositivi è facilitata se i singoli strati delle sottocellule hanno posizioni reticolari atomiche compatibili e sono abbinati a una griglia. Questo vantaggio dell'abbinamento reticolare è il motivo per cui Ge, che è un reticolo accoppiato ad alcune leghe III-V, viene tradizionalmente usato come substrato e cellula a banda stretta stretta in MJ. Le limitazioni della corrispondenza dei reticoli possono essere superate con ulteriore complessità utilizzando il wafer bonding o i layer buffer metamorfici.
Lo strato di giunzione tunnel è costruito dall'interfaccia di strati p ++ e n ++ altamente drogati. L'interazione di questi strati si traduce in una regione di carica spaziale spazialmente stretta, che consente al flusso di corrente tra le sottocelle. È possibile aggiungere livelli di larghezza di banda elevata, noti come livelli di finestre e campi di superficie posteriore, per passivare gli stati di superficie nell'interfaccia tra una sottocellula e la giunzione del tunnel, che se non lasciati sopravvivere, possono intrappolare i portatori e accelerare la ricombinazione.
Se le sottocellule sono collegate in serie, la sottoclasse che conduce la corrente più piccola limita la corrente massima che può fluire attraverso il dispositivo. Pertanto, uno sforzo considerevole viene posto sull'ottimizzazione della corrente delle sottocelle. L'accoppiamento luminescente tra le sottocelle può rilassare alcuni dei requisiti di progettazione corrispondenti alla corrente.
Le celle solari Multijunction III-V possono essere fabbricate utilizzando tecniche di epitassia a fascio molecolare (MBE), ma la fabbricazione in reattori di grandi dimensioni a deposizione chimica da vapore chimica metallo-organici (MOCVD) è tipica per la produzione su scala commerciale di dispositivi GaInP / GaInAs / Ge. Gli strati possono essere coltivati da trimetilgallium (Ga (CH3) 3), trimethylindium (InC3H9), arsine (AsH3) e fosfina (PH3) in un gas vettore di idrogeno e usando droganti come selenide di idrogeno (H2Se), silano (SiH6), e dietil zinco ((C2H5) 2Zn). L'uso dell'ottica concentrante consente alle singole cellule di essere piuttosto piccole, a volte piccole quanto le dimensioni della punta di una matita. Pertanto, queste tecniche consentono di coltivare centinaia di celle solari in singoli lotti. Sono in corso ricerche per ridurre ulteriormente le dimensioni delle cellule e aumentare il numero di cellule che possono essere coltivate da un singolo wafer, il che contribuirà a ridurre il costo per cella.
