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PARTE PRINCIPALE
II.1. RASSEGNA DELLE TECNOLOGIE
MATERIALI DI BASEPer quanto riguarda i materiali di base, in prima approssimazione possiamo dividere le varie tecnologie in due grandi branche: quelle che fanno uso di silicio e le altre.
La tecnologia dei wafer di silicio cristallino è attualmente la più affermata.
La tecnologia del silicio amorfo è ormai nota, matura e versatile, anche se presenta bassi rendimenti, da’ problemi di stabilità e risulta ancora difficile ottenere costi contenuti. L’efficienza commerciale per l’a-Si è de 6÷7%. Viene prodotto da BP Solar, USSC, Sanyo.
Tellururo di Cadmio (CdTe) e diseleniurio di rame e indio (CIS) presentano alte efficienze in laboratorio (minori band-gaps), e stabilità; È forte la possibilità di ottenere costi contenuti. Purtroppo queste tecnologie non sono ancora mature, la disponibilità della materia prima è limitata, e vi sono problemi ambientali. L’attuale efficienza commerciale si aggira intorno al 6÷7%. Sono prodotte da BP Solar e Siemens.
Le pellicole sottili al silicio risultano stabili, a basso costo, di potenzialità ed efficienza elevate, ma la tecnologia non è ancora matura, e l’attuale efficienza commerciale è del 7%.
LIMITI DI EFFICIENZA
In generale, l’efficienza delle celle solari attualmente esistenti è limitata dai seguenti fenomeni: o La radiazione di energia elevata viene persa sottoforma di calore
o Il diodo non è ideale
o I contatti metallici non sono ideali
o I materiali non sono puri o presentano difetti nella struttura cristallina.
Il limite termodinamico di Carnet è del 95%; il limite per energia persa del 93%, il limite dovuto all’entropia dell’86,8%, che è quello a cui fare riferimento in assenza dei fenomeni menzionati.
Riportiamo alcuni limiti di efficienza attuali dei vari tipi di celle: ~ 15% CIS – CdTe ~ 13% a-Si 8÷12% c-Si 2÷4% a-Si:H 26÷28% Concentratori a Si e GaAs 27÷30% GaInP2/GaAs e AlGaAs/GaAs 33÷35% GaAs/GaSb 23% c-Si in laboratorio
CELLE DI TERZA GENERAZIONE
Le tecnologia di prima generazione è quella dei wafers di silicio. I film sottili rappresentano la seconda generazione.
Una terza generazione di celle sta prendendo piede. Essa comprende le seguenti tecnologie:
o CELLE TANDEM: la coppie elettrone-lacuna fotogenerate perdono l’energia eccedente quella del band-gap; inoltre molte di queste coppie si ricombinano, se però l’energia dei fotoni assorbiti è di poco al di sopra del band-gap della cella, il fenomeno della ricombinazione diventa trascurabile; questo porta al concetto di “cella tandem”, ossia una sovrapposizione di strati semiconduttori ognuno con differente band-gap; gli strati devono avere band-gaps disposti in ordine decrescente.
o GENERAZIONE MULTIPLA: Il principio di conservazione dell’energia permette di far si che il calore generato dall’energia in eccesso durante la formazione della coppia elettrone-lacuna
19 venga riutilizzato per la formazione di altre coppie. Si possono costruire celle basate sulla “luminescenza di Raman” e l’”urto elastico” dei fotoni.
o CELLE “HOT CARRIER”: Sono progettate per evitare le perdite di energia per urto anelastico dei fotoni (con generazione di un fonone). I portatori di carica devono attraversare la cella molto velocemente per evitare di “raffreddarsi”.
o CELLE MULTIBANDA: Si considera una terza benda di energia tra la banda di valenza e quella di conduzione, e si passa poi a generalizzare ad n bande. Si fa uso di semiconduttori a piccole bande multiple, come per i composti I-VII o I-VI, o si usano le terre rare per avere elevate concentrazioni di impurità;
o DISPOSITIVI TERMOFOTONICI: I dispositivi termofotovoltaici acquisiscono la radiazione elettromagnetica da un corpo caldo. Nel caso dei termofotonici due diodi agiscono come celle solari, l’una di fronte all’altra. Viene somministrato calore ad uno di essi e il più freddo riceve energia.
Figura 1 - tecnologie di terza generazione
Per finire, riportiamo uno schema riassuntivo dei processi tecnologici riguardanti i film sottili.
