II-3. ALTRE TECNOLOGIE
II-3.1. T
ECNOLOGIE AL SILICIO
II-3.1.1. Celle a contatti immersi
La cella solare a contatti sommersi fu sviluppata da Martin Green e colleghi negli anni ’80. Dopo una sottile ricopertura dielettrica dello strato superficiale della cella, utilizzando il laser vengono scavati due solchi conduttori sulla superficie. In questo modo il contatto tra i conduttori e il substrato di silicio è più intimo che non con l’utilizzazione della tecnica a contatti stampati. Il dielettrico confina il substrato di silicio drogato, oltre ad avere proprietà antiriflesso. Il rendimento è del 10÷20%, migliore che per le celle a contatti stampati. Recentemente la BP SOLAR, la seconda industria fotovoltaica a livello mondiale, ha investito in questa tecnologia, stabilendo di raggiungere la produzione di 80 MWp/anno.
Con questa tecnica la qualità del silicio superficiale non viene intaccata, ottenendo così un completo assorbimento nella zona blu dello spettro solare. Inoltre la superficie utile alla cattura dei fotoni aumenta rispetto a quella totale e la resistenza dei contatti diminuisce.
II-3.1.2. Celle HIT (Heterojunction with thin intrinsic layers)
Questo dispositivo combina in una sola struttura le caratteristiche delle celle cristalline e di quelle al silicio amorfo.
Quello che si nota, in effetti, dalla figura, oltre agli strati di a-Si deposto tramite la tecnica PECVD (plasma-enhanced chemical vapour deposition) è la presenza di strati di silicio non drogato (materiale intrinseco). In questo modo aumenta la banda di assorbimento. La cella, inoltre, è sensibile alla luce da entrambe le direzioni, con il vantaggio di poter raccogliere anche la luce diffusa sul retro.
L’a-Si debolmente drogato conduce poco; per questo è necessaria la presenza di ossidi trasparenti sia sul lato frontale che sul retro della cella.
Oltre all’allargamento della banda di assorbimento e alla possibilità di raccogliere luce anche sul retro, questo tipo di cella offre il vantaggio di fornire una elevata tensione a vuoto. Le temperature di processo, inoltre, sono comparabili a quelle tipiche della produzione delle pellicole, ossia più basse.
Gli strati di ossido trasparente non sono mai perfettamente trasparenti né perfettamente conduttori. Ciò provoca delle perdite nell’assorbimento del 10÷15%, con la conseguente diminuzione delle relativamente alte tensioni a vuoto raggiunte.
L’efficienza di queste celle si aggira intorno al 17%, e quella dei moduli intorno al 15%, con un incremento dovuto alla possibilità di un miglior “impacchettamento”.
Questi moduli sono prodotti attualmente dalla Sanyo, al tasso di 32 MWp/anno, ma volti ad un obbiettivo, da raggiungere nel 2005, di 120 MWp/anno.
II-3.1.3. Nastri e fogli di silicio
a) EFG; b) Rete dendritica
Produrre il substrato di silicio direttamente in fogli o nastri elimina principalmente gli sprechi di silicio durante l’affettamento dei lingotti, e comunque riduce le perdite di silicio che si avrebbero durante tutto il processo chiamato “wafering”.
Esistono diversi modi di produrre i nastri, tutti comunque basati sull’accrescimento progressivo. La tecnica più collaudata è l’EFG – Edge-defined Film-fed Growth. (vedere figura)
?? La RWE Schott Solar utilizza invece una matrice di grafite opportunamente sagomata, nella quale cresce un tubo ottagonale di silicio multicristallino, evitando l’ossidazione ai bordi. ?? La Evergreen Solar usa un’altra variante tecnica, facendo crescere silicio fuso in una vasca su due guide metalliche.
?? La Ebara Solar usa una variante un po’ più datata: una “rete dendritica” dove un sottile controllo di temperatura forza il silicio a solidificarsi nella maniera voluta.
In ogni modo, l’efficienza più elevata compete al metodo EFG.
Nella figure a fianco, in alto, la sommità della matrice di grafite impone la forma a nastro del silicio fuso, che sale verso l’alto per capillarità. In basso, i dendriti vengono tirati su dalla vasca di silicio fuso, e un sottile strato di silicio vi rimane intrappolato in mezzo.
II-3.1.4. Film sottili
Film al Si amorfo idrogenato Le celle all’a-Si:H possono essere realizzate a giunzione singola o tandem.
Nel primo caso l’efficienza risulta piuttosto bassa (1÷2%), principalmente per motivi di stabilità: la qualità del materiale depositato in laboratorio decresce dopo l’esposizione al sole della cella. D’altra parte, la presenza dell’idrogeno permette di aumentare la banda di assorbimento da 1.1 a 1.7 eV. La cella all’a-Si, a differenza di quelle al silicio cristallino, ha una struttura “p-i-n”; ossia: rispetto a quanto finora visto, viene aggiunto uno strato di
Figura 1 - Cella tandem a-Si:H
materiale intrinseco (non drogato);questo per migliorare il processo di generazione dei portatori di carica; inoltre, per ottenere una sufficiente conduttanza laterale, si usa un ossido conduttore trasparente: il biossido di stagno (SnO2). Operativamente queste celle per deposizione PECVD di
silane (SiH4) a bassa temperatura. Nel secondo caso, usando una tripla giunzione, l’efficienza
supera il 6%. Sia la RWE Schott Solar che la ECD Beckaert producono celle tandem.
Per ovviare ai problemi di stabilità si può diluire molto il silicio amorfo durante la deposizione, ottenendo un materiale a fase mista microcristallina.
Film al Si policristallino
La tecnica del silicio cristallino depositato su vetro (SCG: Cristalline Silicon on Glass) cerca di combinare i vantaggi delle celle c-Si (stabilità, curabilità, atossicità) con quelli della tecnologia dei film sottili (costi di produzione ridotti, minor impiego di materiale, produzione monolitica). A livello procedurale, rivestimento antiriflesso e silicio drogato sono depositati
II-3.1.5. Concentratori
Figura 4 - Cella "PERL" a concentrazione
Una cella a concentrazione riceve energia luminosa non direttamente dal sole, ma da lenti che concentrano la radiazione solare sul dispositivo, che in tal modo viene raggiunto da una radiazione a densità d’energia molto più elevata.
La motivazione principale dell’uso dei concentratori è di ridurre il costo dell’energia prodotta: per “raccogliere” più raggi solari non è più necessaria un ingente produzione di celle; l’incremento della produzione si sposta sulle lenti.
In genere si usano delle lenti di Fresnel. Esistono due tipi di concentratori: il primo è simile alla normali celle p-n; il secondo fa utilizzo di substrati non drogati, con una resistenza interna molto minore. Perché queste celle a concentrazione raggiungono buoni rendimenti si deve porre attenzione a:
?? La ricombianzione superficiale
?? La durata della vita delle cariche minoritarie nel substrato ?? L’intrappolamento delle luce
?? La sottigliezza del substrato
?? L’efficienza nella zona frontale drogata ?? La resistenza serie
II-3.2. GaAs e concentratori
Figura 6 - Sezione di una cella ad eterofaccia a GaAs
Le celle all’Arsenurio di Gallio sono per lo più usate nelle applicazioni spaziali. Presentano un ottimo band-gap per elevate efficienze. Prodotte in piccole quantità negli anni ’60, nel ’72 l’IBM cominciò ad usare la LPE (liquid phase epitaxy) per ottenere una eterofaccia p/n GaAs/AlGaAs, producendo un notevole salto tecnologico. Per produrle si usavano i reattori MOCVD. Poi vennero usati substrati cristallini di Germanio (Ge) sopra i quali veniva fatto crescere in un CVD uno strato di GaAs. L’elevata resistenza meccanica del Germanio permise di assottigliare lo spessore delle celle. Le celle al GaAs raggiungono efficienze vicine al 20%.
Le celle al GaAs a concentrazione possono raggiungere rendimenti del 36%. Per formare l’eterofaccia, oltre alla tecnica di crescita epitassiale MOVPE (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy) si può usare la tecnica MBE (Molecular Beam Epitaxy). Tutti gli sforzi sono concentrati nella sovrapposizione di uno strato AlxGa1-xAs sovrapposto ad un
emettitore fortemente drogato. Il fatto di utilizzare una struttura n-p o p-n ha poca importanza.
In una cella a concentrazione è importante minimizzare la resistenza-serie a causa delle elevate correnti.
II-3.3. CIS
Le celle al CuInSe2 presentano un’efficienza attorno al 15%. Come per le altre tecnologie a
pellicola sottile, il principale vantaggio risiede nella limitata quantità di materiale sufficiente per realizzare una cella. D’altro canto, per una diffusione su larga scala, si pensi che l’indio è un elemento poco diffuso.
Dal punto di vista tecnico le celle a CIS sono caratterizzate dalla loro “band gap” e dalla caratteristica “corrente fotonica in funzione dello spessore del dispositivo).
La cella può essere conformata in modo da ricevere la luce o frontalmente o dal retro.
Figura 8 - Sezione di una cella a doppio strato CdS/CIS
Esiste una vasta gamma di procedimenti per realizzare la deposizione del materiale attivo sul substrato; tra le varie tecniche si possono citare:
?? Co-evaporazione degli elementi ?? MOCVD
?? Sintesi laser ?? Pirolisi Spray
I dispositivi più efficienti si realizzano con la co-evaporazione.
Il substrato è riscaldato fino a 350°-550°C. Si utilizzano poi sorgenti gassose di H2Se o H2S per la
selenizzazione o solforizzazione. I contatti possono essere elettrodepositati, depositati per evaporazione, ecc.
II-3.4. CdTe
La maggioranza dei dispositivi a CdTe sono depositati su un substrato conduttore trasparente.
Una tecnica consiste nel depositare chimicamente 50-80nm di CdS da una soluzione acquosa contenente acetato di Cadmio, seguito da 3-5µm di CdTe ottenuti per sublimazione. I contatti posteriori sono di HgTe. Il dispositivo è realizzato in atmosfera inerte e al termine ricoperto di MgF2.
Un’altra tecnica è la ALE (Atomic layer epitaxy). Il CdTe viene depositato da sorgenti elementari di Cd, Te e S a 420°C.
II-3.5. Celle III-V a multigiunzione
Il nome di queste celle deriva dal fatto che gli elementi usati per realizzarle appartengono al gruppo III o al gruppo V della tavola periodica di Mendeleev. Il fatto di usare una doppia giunzione aumenta la banda di assorbimento della cella.
La giunzione singola non può superare l’efficienza del 30%. Due materiali sovrapposti, invece, possono arrivare ad un rendimento del 50%. Giunzioni al GaAs/GaSb, per esempio, raggiungono in laboratorio efficienze del 35%. Inoltre, dispositivi realizzati per raccogliere i raggi solari concentrati hanno efficienza più alta.
Ogni composto ha una diversa banda di assorbimento. È importante fare la giusta scelta.
Il processo di fabbricazione di queste celle si può suddividere in tre parti: crescita cristallina, formazione della giunzione, processo fotolitografico.
Facciamo un esempio con la cella a GaAs a zinco diffuso. Su un substrato di vetro viene fatto crescere uno strato di 0.2µ di AlGaAs, e sopra GaAsZn. Ancora sopra viene deposto uno strato di SiNx; poi viene diffuso lo Zn nel wafer usando una fornace tubolare. Segue la deposizione dei contatti e il rivestimento antiriflettente.
