Ricerca & Sviluppo: Celle fotovoltaiche multigiunzione

Negli anni '90 sono iniziate le esplorazioni di una nuova tecnologia per migliorare l'efficienza delle celle fotovoltaiche utilizzando delle cella composte, costituite da differenti materiali semiconduttori disposti a strati, uno sull'altro, e che permettono alle differenti porzioni di spettro solare di essere convertite in elettricità a differenti profondità, aumentando con ciò l'efficienza totale di conversione della luce incidente. Viene anche definita come Split spectrum cell o VMJ. (Vertical Multijunction Cell)

Quando i fotoni della luce solare raggiungono una cella FV solo quelli con un determinato livello di energia possono liberare gli elettroni dai loro legami atomici per produrre una corrente elettrica.

Se la cella FV ha la caratteristica di avere un più largo spettro del livello assorbente di energia il suo rendimento sarà maggiore, questo è possibile "sovrapponendo" film sottili di diversa banda di "eV".

Oggi buona parte della ricerca sulla tecnologia a multigiunzione è incentrata sui semiconduttori all' arsenuro di gallio (GaAs) su uno o anche su tutti i films componenti la cella, in laboratorio queste celle hanno raggiunto efficienze del 40%.

Altri materiali utilizzati nella ricerca per questa tecnologia sono il rame indio diselenide (CuInSe2), il tellururo di cadmio(CdTe), fosfuro di indio-gallio (GaInP2), l'alluminio-gallio-arseniuro  (AlGaAs), gallio-arseniuro (GaAs).

La ricerca è mirata anche ad esplorare metodi utili ad abbassare il costo delle celle a film sottili prodotte con materiali innovativi, come la produzione di supporti-pellicola meno costosi, sistemi per il recupero dei semiconduttori a fine vita delle celle, rendere più sottili i film di semiconduttori.

Tunneljunction
Nell' esempio a destra il dispositivo multijunction usa una cella superiore al fosfuro di indio-gallio, una "giunzione passante" per aiutare il flusso degli elettroni fra le celle e la cella inferiore all' arsenuro di gallio.

Fonte:
www.science.nasa.gov

Altre informazioni:

Articolo in Italiano su una tecnologia sperimentale
www.lescienze.espresso.repubblica.it  

I Sandia National Laboratories sono tra i maggiori sperimentatori di celle a multigiunzione
www.sandia.gov 

Le tecnologie a multigiunzione possono essere abbinate alla tecnologia dei concentratori solari FV con migliori rendimenti e costi potenzialmente più contenuti
www.nrel.gov/highperformancepv/
www.nrel.gov/highperformancepv/news.html

La Sanyo Photovoltaic produce da tempo un modulo a doppia giunzione con silicio amorfo e silicio cristallino
www.sanyo.co.jp

Il record di efficienza attuale (40%) si ha con una cella a tripla giunzione (GaInP/GaAs/Ge) in un sistema a concentrazione solare
www.spectrolab.com ,  il limite teorico per questa tecnologia è superiore all'80%

Ricerca & Sviluppo: Celle fotovoltaiche a concentrazione

In sostanza il  concentratore fotovoltaico permette di concentrare la luce solare in una cella che ha dimensioni ridotte e quindi permette: 1) un contenimento del costo dei semiconduttori, i quali sono una delle maggiori componenti di costo di un sistema fv, 2) l'utilizzo di  semiconduttori a maggiore effficienza

Il concentratore può essere a lenti di Fresnel, a microprismi o a specchi parabolici, i sistemi più efficienti permettono di moltiplicare oltre i 500 soli ( 500 volte) la potenza

Un' unità di base tipica del concentratore Fv consiste in un sistema ottico che mette a fuoco la luce, un complesso di celle FV, un concentratore secondario per riflettere i raggi luminosi eccentrici sulla cella, un sistema per dissipare il calore eccedente dovuto alla concentrazione, i vari contatti e sistemi di fissaggio dei componenti.
Il modulo illustrato è composto da 12 unità in una configurazione 6*2. Queste unità di base possono essere unite nelle volute configurazioni per l'ottenimento del modulo nel formato voluto.

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Prototipo del progetto spagnolo Euclides.


in pratica il sistema di concentrazione è simile ad una applicazione per i sistemi di concentrazione termosolare ad inseguimento, invece di essere scaldato il fluido termodinamico viene irraggiato il sistema contenente le celle FV con ottica di concentrazione abbinate al sistema di dissipazione del calore dovuto alla concentrazione.

Il sistema sperimentale è lungo 24 metri, si sono ottenute efficienze del 16%

Un prototipo più avanzato è installato a Tenerife, è composto da 14 file di concentratori lunghi 84 metri per una potenza di 480 kW

Il costo finale è ancora elevato, circa 5.000 € al kWp, questa soluzione permette l'inseguimento solaresu un unico asse

Fonte:
www.iter.es
www.pvresources.com

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Prototipi di Sandia Laboratories 

Nell'immagine a lato uno dei sistemi realizzati in USA con il contributo governativo. In questa soluzione  la concentrazione avviene su un modulo piano per mezzo di lenti di Fresnel. L' inseguimento solare è su due assi e il supporo è singolo.

Fonte:
www.sandia.gov

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Prototipo del Rockingham Campus, Australia

Le immagini qui riportate rappresentano un sistema modulato di concentratori fotovoltaici con la caratteristica di potersi disporre anche parallelamente al terreno per utilizzare la luce diffusa nei periodi di cielo velato o parzialmente coperto.

Il prototipo è installato nel Campus della Murdoch University, a Rockingham, in Australia ed ha una potenza di 20 kW

Fonte:
wwwscieng.murdoch.edu.au
www.pvresources.com

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Cogenerazione con  FV a concentrazione

Con sistemi FV a concentrazione è possibile ottenere anche energia termica dal sistema di raffreddamento delle celle, si può così ottenere un sistema di cogenerazione
Legenda:

  1. concentratore FV cells
  2. Sistema a filtro trasparente
  3. Pompa del circuito di raffreddamento
  4. Scambiatore di calore
  5. Uscita energia termica

Fonte:
bsrsolar.com/core1-4.php3

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La maggiore efficienza dei concentratori FV si è ottenuta abbinandoli a celle multigiunzione con film sottili a base di semiconduttori innovativi e a basso costo
La società Spectrolab, (Boeing), che fornisce i moduli fotovoltaici per la NASA, ha raggiunto i massimi record nella concentrazione FV con un'ottica a 400 soli ed impiegando celle a tripla-giunzione (GaAs-Ge) con un'efficienza del 40%, in prospettiva a medio termine questa società prevede costi,per produzioni in grande scala, di 1.000 € al kWp e a lungo termine fino a 500 € al kWp
www.spectrolab.com

Lo sviluppo dei sistemi fv comincia a proporre soluzioni commerciali a concentrazione, ad esempio il www.soliant-energy.com
In Australia un grande progetto per 145 MWp di concentratori fotovoltaici www.solarsystems.com.au

R&S: Dye Solar Cell, la cella di Graetzel

Il principio di questa tecnica e' stato individuato nel 1990 dal chimico svizzero Michael Graetzel, che, ispirandosi alla fotosintesi per convertire la luce in corrente elettrica, ha pensato di porre sulla superficie di un semiconduttore (nanocristalli di biossido di titanio sinterizzati) uno strato di molecole organiche trattate in modo da metterle in grado di assorbire la luce.
E' la prima applicazione pratica delle nanotecnologie e dei nanocristalli nei sistemi fotovoltaici

Conosciuta come Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC), riproduce quindi il meccanismo usato dalle piante per convertire la luce del sole in energia utile, dove ogni funzione è assegnata ad una diversa sostanza. La cella DSSC usa un pigmento organico (in pratica un fotosensibilizzatore) per assorbire la luce e creare una coppia elettrone-lacuna, uno strato di ossido metallico nanoporoso ad elevata area superficiale come conduttore di elettroni ed un elettrolita liquido come conduttore delle lacune. Ulteriori sviluppi di queste celle prevedono la sostituzione dell’elettrolita liquido generalmente usato per la funzione del trasporto delle lacune con nanopolimeri conduttori.

Il progetto più avanzato sembra essere quello della società australiana Dyesol, ha già avviato contratti per la realizzazione di unità produttive dei moduli in Grecia e Turchia, in questo progetto il materiale organico è integrato con biossido di titanio www.dyesol.com

Il progetto della Konarka Technologies, prevede l'utilizzo di un sigillante per contenere il materiale elettrolitico liquido in un film sottile, per la produzione si utilizza un processo simile a quello industriale per la pellicola fotografica, ottenendo anche in questo caso dei rotoli di materiale fotovoltaico, in questo progetto collabora Arno Penzias, Premio Nobel per la fisica e vi partecipa anche la Siemens. Attualmente l'efficienza delle loro celle è bassa, circa 5% ma il prezzo di vendita dovrà essere compreso tra 1 e 0,5 €/Wp.  www.konarka.com

La Nanosolar sta sviluppando una cella composta da un substrato flessibile e a basso costo, su questo substrato viene applicata una vernice semiconduttrice organica (in questo caso senza la necessità dell'elettrolita liquido) con un processo simile al processo di stampa, le celle FV si presentano sottoforma di rotoli di materiale laminato. L' efficienza è del 10% e il tempo di rimborso energetico di 3 mesi, obiettivo dichiarato è un prezzo inferiore a 1€/Wp. www.nanosolar.com

La STMicroelectronics, società italo-francese, leader nella produzione di semiconduttori, ritiene sia possibile produrre sistemi fotovoltaici con semiconduttori organico-polimerici ad un costo di 200 € al kWp: 20 volte meno dei sistemi attuali al silicio, l'efficienza dovrebbe essere del 5-10% e quindi per avere 1 kWe di picco servono dai 20 ai 10 mq di superficie fotovoltaica. www.st.com

Il progetto più recente è sviluppato al MIT, in collaborazione con altri centri di ricerca, prevede l'utilizzo di cloroplasti e proteine fotosintetiche per la produzione di una cella FV ad alta efficienza (teorica 70%, prove attuali 12%) e a basso costo (kWh inferiore a 0,1€) Il primo esperimento è del maggio 2004, la messa a punto di una cella commerciale è prevista a medio termine (10-20 anni).  www.web.mit.edu
www.sciencenews.org 
www.newscientist.com

In Italia una linea di ricerca sulle Dye solar cell è sviluppata dall' Universita' di Tor Vergata, utilizzando un pigmento, le antocianine, simile a quello che caratterizza il  colore dei frutti di bosco. L'iniziativa è supportata da un fondo della Regione Lazio.
www.freenergy.uniroma2.it

Alcuni articoli correlati
www.solideas.com
www.eifer.uni-karlsruhe.de
www.elisabettafedele.it
www.sta.com.au  
www.njit.edu
 
www.technologyreview.com  

 Cella di Graetzel
  La prima cella di Graetzel



Cella Dyesol
 Cella della Dyesol



schema cella organica
  Schema della cella DSC



Cella Nanosolar
 Cella della Nanosolar



spinach-chip
 Spinach-chip del M.I.T.

R&S: i Quantum Dots
Con il termine "Quantum Dot" si definiscono dei nanocristalli quantistici utilizzabili quali semiconduttori in sistemi FV

In linea di principio, modulando il diametro dei nanocristalli quantistici, si possono realizzare diversi valori della banda proibita in modo da realizzare con lo stesso materiale diverse possibilità d’accoppiamento fotoelettrico ottimale con le varie frequenze dello spettro solare. In teoria, i nanocristalli possono essere disposti a strati multipli all’interno di un’opportuna giunzione n-i-p, collocandoli al posto della zona intrinseca, i, cosicché la corrente fotoelettrica generata in essi dalla radiazione solare possa passare da uno strato all’altro per effetto tunnel fino a venir convogliata dal campo elettrico della giunzione sugli elettrodi di uscita analogamente a quanto avviene nelle celle fotovoltaiche convenzionali.

Strati di quantum dots di silicio, disposti in modo ordinato in forma di super reticolo sono stati ottenuti all’interno di uno strato più spesso e trasparente di SiO2, dimostrando la possibilità della tecnologia di realizzare alcuni dispositivi fotovoltaici di terza generazione finora soltanto teorizzati, che potrebbero portare l’efficienza di conversione al limite del valore teorico calcolato, superiore al 50%.

Per approfondimenti:
www.aspoitalia.net
www.pv.unsw.edu.au
www.technologyreview.com

Quantum dot di diverse dimensioni interagiscono con una determinata frequenza dello spettro solare e sono traspareti alle altre frequenze



Una nanostruttura composta da QD in Si di diverse dimensioni può utilizzare una larga porzione dello spettro solare, come avviene nelle celle multigiunzione, ovviando però alla pericolosità dei semiconduttori diversi dal silicio e riducendo i costi di produzione.
 

Altre attività di ricerca e sviluppo sui nanocristalli semiconduttori:

La società Global Photonic sta sviluppando un modulo basato sulle nanostrutture di carbonio, anche in questo caso il prodotto sarebbe flessibile e leggero, con costi particolarmente bassi, colorazioni variabili all'esigenza e anche soluzioni semitrasparenti per vetrate www.globalphotonic.com
Una linea concettuale simile è sviluppata dalla Societa Nanosys, specializzata nella ricerca dei nanomateriali www.nanosysinc.com

Altra società  che sviluppa celle  basate sui nanomateriali, in collaborazione con il MIT star solar starsolar.net www.technologyreview.com