Le celle in silicio amorfo

Pur essendo ovviamente costituito dal medesimo elemento, differisce sensibilmente nelle caratteristiche strutturali e nelle proprietà elettroniche dal silicio cristallino.

Poiché gli atomi di silicio sono aggregati secondo vincoli variabili (caratterizzati, cioè, da differenze nelle distanze inter-atomiche e negli angoli di legame) e spesso incompleti, cosicché la struttura della materia si presenta irregolare. Alla fine degli anni Sessanta si scoprì che l’incorporazione di atomi d’idrogeno nel silicio amorfo ne migliorava notevolmente la qualità ai fini della conversione fotovoltaica.

Fig. 1.19 : Silicio amorfo

L’idrogeno, infatti, è in grado di terminare gran parte dei legami covalenti non saturati che gli atomi di silicio presentano nella struttura amorfa. I legami non saturati fungono da trappole che catturano gli elettroni o le lacune nel materiale, sottraendoli alla conduzione e accelerando la loro ricombinazione.

La diminuzione del numero di tali difetti, che si ottiene nel silicio amorfo idrogenato, permette che il materiale sia estremamente sensibile all’illuminazione, che possa essere efficacemente drogato e che abbia un tempo di ricombinazione delle coppie elettrone- lacuna fotogenerate sufficientemente lungo.

Tutto ciò, in una cella solare, fa sì che le cariche liberate dalla radiazione possano essere estratte e la loro energia utilizzata in un circuito esterno.

Per questo motivo, in campo fotovoltaico, si utilizza sostanzialmente silicio amorfo idrogenato. Il processo produttivo parte, come per la sostanza cristallina, dal triclorosilano (SiHCl3), da cui si ottiene il silano (SiH4) o il disilano (Si2H6).

La decomposizione di questi composti gassosi avviene per mezzo di una scarica a bagliore generata da un campo elettrico a radiofrequenza, si ottiene la deposizione di pellicole sottilissime (1 µm) di silicio amorfo su supporti opportunamente scelti. Durante tale processo vengono immessi gas idruri di boro e fosforo, ottenendo il drogaggio dello strato depositato, che costituirà il componente di base della cella fotovoltaica.

I costi di produzione del processo sono piuttosto contenuti e influiscono positivamente, sul costo finale delle celle. Questo fattore va quindi a compensare l’efficienza di conversione relativamente bassa del silicio amorfo (circa la metà rispetto al cristallino). A dire il vero, bisogna denunciare un fattore critico a detrimento di questa tecnologia: nonostante i risultati sperimentali incoraggianti, resta per il momento ancora da risolvere il grave problema dell’instabilità alla radiazione luminosa. Il silicio amorfo, infatti, presenta una notevole degradazione in seguito a illuminazione solare prolungata. L’efficienza di conversione, così diminuisce sensibilmente con il passare del tempo (effetto Staebler-Wronski), riducendosi fino al 30-40% nei primi mesi di esposizione e stabilizzandosi successivamente.

L’elevato coefficiente di assorbimento della radiazione solare, il consumo di materiale molto limitato dovuto alla deposizione in film sottili e la relativa economicità dei processi produttivi, rendono il silicio amorfo un materiale particolarmente adatto alla realizzazione di celle fotovoltaiche (per l’appunto celle a film sottile).

A ciò si deve aggiungere la possibilità di fabbricare con un solo processo un intero modulo fotovoltaico di area uguale o anche superiore al metro quadrato, eliminando completamente le fasi intermedie di fabbricazione delle celle singole e del loro successivo collegamento elettrico.

La configurazione più semplice per la cella al silicio amorfo è del tipo a giunzione singola, costituita principalmente da una sovrapposizione di 3 strati del materiale con proprietà elettroniche differenti. Il primo viene drogato pesantemente con boro ed è quindi di tipo p; il secondo è di tipo intrinseco; il terzo viene drogato leggermente con fosforo e diviene di tipo n. I due strati esterni drogati costituiscono la giunzione a semiconduttore e generano il campo elettrico, mentre lo strato intermedio assolve principalmente alla funzione di assorbitore della radiazione solare.

un substrato di vetro o di materiale trasparente, dotato di buone caratteristiche di trasmissione della radiazione solare;

una pellicola sottilissima di materiale conduttore e trasparente (generalmente ossido di stagno), che costituirà il contatto elettrico anteriore e può essere trattato allo scopo di aumentare il coefficiente di assorbimento e trasmissione della radiazione incidente.

stratificazione di silicio amorfo, così come precedentemente descritta (si noti come, a differenza che nelle celle in silicio cristallino, il lato esposto al Sole sia di tipo p); un contatto posteriore formato da un metallo con buone caratteristiche di conduzione elettrica e di riflessione (argento, alluminio, leghe di alluminio), capace, oltre che fungere da elettrodo, di far rimbalzare indietro verso la cella quella porzione di radiazione che l’ha attraversata senza essere convertita.

Fig. 1.21 : Grafico della produzione mondiale di celle fotovoltaiche per tipo (ENEA)

A causa dei problemi di instabilità cui si è precedentemente accennato, la tipologia di cella appena descritta si dimostra particolarmente adatta alle realizzazioni nel campo dell’elettronica di consumo a bassa potenza (calcolatrici, gadget ecc.), ma poco competitiva per installazioni a cielo aperto, caratterizzate da forti valori di irraggiamento. L’effetto Staebler-Wronski può essere, tuttavia, attenuato usando la configurazione di cella a giunzione multipla, che verrà approfondita nel paragrafo successivo. In sostanza, l’assorbimento della radiazione solare viene distribuito tra due o più celle sovrapposte,

In questo settore la possibilità di deposizione su strati flessibili (plastica ecc.) si traduce in un’ampia duttilità nell’impiego, consentendo l’applicazione su superfici di supporto di geometria variabile, il che compensa in molti casi il rapporto costi-prestazioni meno conveniente rispetto al silicio cristallino.

Per quanto riguarda l’efficienza di conversione, le celle al silicio amorfo presentano valori effettivi inferiori al 10%, mentre il limite teorico è del 20% circa, ma si calcola che sia ancora elevabile fino al 25%.