Celle al CIGS

Il diseleniuro di rame, indio e gallio (CIGS, Cu(In,Ga)Se2) ha mostrato subito le proprie

potenzialità applicative, dando luogo fin dagli anni Sessanta a celle con efficienze superiori a quelle ottenibili con celle fotovoltaiche a film sottile in silicio amorfo. In particolare, le celle solari e i moduli costituiti da CIGS hanno raggiunto, rispettivamente, efficienze del 19,5% e del 13%. Allo stesso modo celle e moduli basati su CdTe (Tellurio di cadmio) si attestano al 16,5% e al a10,2%. Il film sottile in CIGS appartiene alla classe delle calcopiriti, i cui bandgap possono essere modificati scegliendo tra In, Ga e Al ( cationi del gruppo III) e tra anioni di Se e S. Si può così ottenere una vasta gamma di bandgap, utilizzando combinazione di differenti composizioni, e dal momento che il range dii bandgap di interesse per questa categoria è

compreso tra 1 e 1,7 eV, le celle solari basate su CIGS offrono la versatilità richiesta dal caso.

Con un efficienza del 19,5% in condizioni standard di test, su scala di laboratorio, la migliore tra le celle CIGS è efficiente più o meno come la migliore cella in silicio policristallino.

In tabella, dove si fa un confronto tra l’efficienza e la potenza sviluppata dai diversi moduli commercializzati (in CIGS, CIGSS, che si differenziano rispetto alle prime per l’aggiunta di piccole quantità di zolfo, e CdTe), evidenzia che i moduli CIGS e CdTe hanno prestazioni molto simili a quelle del silicio policristallino.

Compagnia Tecnologia Superficie[cm2] Efficienza[%] Potenza[W] Data

Global Solar CIGS 8390 10,2 88,9 05/05

Shell Solar CIGSS 7376 11,7 86,1 10/05

Würth Solar CIGS 6500 13,0 84,6 06/04

First Solar CdTe 6623 10,2 67,5 02/04

Shell Solar

GmbH CIGSS 4938 13,1 64,8 05/03

Antec Solar CdTe 6633 7,3 52,3 06/04

Shell Solar CIGSS 3626 12,8 46,5 03/03

Showa Shell CIGS 3600 12,8 44,15 05/03

Tabella 4.2 : Prestazione dei diversi moduli fotovoltaici flessibili in commercio (riprodotto da Rau U., Schock H.W., 1999)

Le aziende produttrici di moduli CIGS inizialmente hanno puntato a raggiungere una efficienza del 12-15%, come buon compromesso tra prestazioni e costi. Anche mantenendosi in questo range, i moduli CIGS sono efficienti come i moduli in silicio cristallino in vendita oggi. Per fare un paragone, il tipico modulo a film sottile in a-Si ha una efficienza nominale che si attesta tra il 6,2% e il 6,4%, cioè la metà di quella caratteristica dei moduli CIGS.

Inoltre, poiché non ha luogo alcun processo intrinseco che porti a una drastica diminuzione delle prestazioni di queste celle, le CIGS vengono anche esse vendute con una garanzia di 25 anni. Al contrario dei pannelli in silicio cristallino, queste celle spesso migliorano le loro prestazioni col passare del tempo,durante le condizioni operative reali; la struttura del reticolo cristallino viene rigenerata durante il funzionamento grazie alla presenza del rame.

All’inizio del 2000 un report approfondito indicava che, per superare gli ostacoli per una produzione su larga scala delle celle basate su tecnologia CIGS, fosse necessario un aumento del bandgap dei materiali utilizzati per ottenere potenziali di cella maggiori e giustificare così la complessità dei materiali di base utilizzati. Questo è proprio quello che è stato fatto dalla Nanosolar che alla fine del 2007 ha messo in commercio i primi moduli prodotti utilizzando un inchiostro al CIGS che permette di stampare il semiconduttore come un film sottile su un supporto flessibile.

Ancora una volta, anche con il CIGS la tecnologia a stampa riesce ad assicurare una produttività del processo elevatissima (1 modulo al minuto) e, utilizzando un solo macchinario, consente una produzione globale di 10 MW annui sotto forma di celle al CIGS stampate su foglio di alluminio.

Il nuovo inchiostro, che consente di avere efficienze superiori al 12%, è costituito da una miscela omogenea di nanoparticelle, stabilizzate da una dispersione organica. L’elevata stabilità chimica garantisce che i rapporti atomici dei quattro elementi costituenti siano mantenuti costanti nel momento in cui l’inchiostro viene stampato, anche per grandi aree di deposizione.

Questo aspetto è fondamentale per ottenere un semiconduttore di alta qualità fotovoltaica; il processo è molto meno costoso delle tipiche deposizioni sotto vuoto che si utilizzano per depositare film sottili omogenei.

Come tutti i processi continui, anche questo presenta il vantaggio che, fatti salvi i primi metri di deposizione, la parte restante del rullo di alluminio (largo metri e lungo chilometri) sia perfettamente uniforme grazie alle condizioni stazionarie di produzione che vengono rapidamente raggiunte. Così non avviene, invece, nella produzione discontinua dei wafer di silicio cristallino e anche nella realizzazione di moduli a film sottile supportate sul vetro, che richiedono movimentazione individuale dei singoli moduli (con aumento dei costi) e variabilità indesiderabili nel processo. Inoltre in questo caso si hanno spesso problemi di qualità, legati a disuniformità e/o difetti puntuali.

I moduli solare sono quindi prodotti con macchine a stampaggio che depositano uno strato di nano-inchiosto assorbente su di un sottile foglio metallico come l’alluminio. La cella solare è realizzata depositando un film di molibdeno (che fa da elettrodo) sul supporto d’alluminio, sul quale è successivamente depositato lo strato attivo di inchiostro CIGS, seguito da uno strato costituente l’eterogiunzione in CdS, e infine da un film di ossido di zinco trasparente (contro elettrodo). L’utilizzo dell’alluminio come supporto assicura una elevata conducibilità (20 volte più elevata, ad esempio, di quella dell’acciaio inossidabile) e consente una riduzione notevole dei costi, evitando di depositare separatamente uno strato posteriore che funga da elettrodo (come è richiesto nel caso di supporti non conduttori come il vetro).

Infatti , un’altra ragione fondamentale del costo ridotto dell’elettricità solare sviluppata da questa tecnologia risiede nella capacità di fornire pannelli solari ad elevata potenza prodotta con correnti 5-10 volte maggiori di quelle delle altre tecnologie sul mercato odierno, riducendo drasticamente le perdite di efficienza nei sistemi elettrici solari che hanno un impatto importante sui costi dei sistemi fotovoltaici.