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Le tecnologie del Solare fotovoltaico
Le tecnologie di produzione delle celle fotovoltaiche si dividono sostanzialmente in tre famiglie:
- Silicio cristallino: che comprende il monocristallo e il policristallo.
- Film sottile: con l’amorfo tradizionale, i sistemi multigiunzione (triple junction – CIS – CIGS) la cella elettrochimica di Graetzel.
- Arsenuro di Galio.


ciccioSilicio cristallino (c-Si)
La tecnologia al silicio cristallino è in questo momento la più utilizzata dal punto di vista industriale.
Si divide in SILICIO POLICRISTALLINO (mc-Si) e SILICIO MONOCRISTALLINO (Cz-Si).
I motivi per il suo impiego così diffuso sono principalmente i costi accettabili paragonati al rendimento di produzione elettrica ottenibile per m² di modulo fotovoltaico e per la facilità di reperimento del silicio sulla crosta terrestre. Altrettanto non facile è comunque la raffinazione del silicio stesso che deve essere puro al 99,9% e fuso in lingotti per poi essere tagliato a fette (wafer). Le celle in silicio monocristallino tuttavia possono essere ricavate anche da wafer scartati dall’industria dei microprocessori, i quali vengono decappati attraverso semplici attacchi acidi e poi cresciuti come celle fotovoltaiche. Questa tecnologia di produzione però “soffre” dell’ottimizzazione portata alla produzione di microchip che grazie alla ricerca ha potuto diminuire in maniera sensibile gli scarti.
La curva di miglioramento della tecnologia al silicio cristallino è quasi al culmine, visto che si sono raggiunte prestazioni industriali del 15-17% (il rendimento del silicio in laboratorio è del 25% ma difficilmente diventerà un parametro applicabile anche alle soluzioni industriali). La ricerca quindi sta ora spostandosi dal materiale alle tecnologie di produzione della cella, onde ottimizzare lo scarto di produzione (sfridi di taglio lingotto,
ciccionuovi materiali per il drogaggio, nuovi sistemi di crescita cella, testuring, recupero di area attiva con nuovi sistemi di deposizione dei fingher, etc.). Una nuova ed interessante tecnologia : “Spheral Solar” utilizza microsfere di silicio cristallino per ottenere celle di tipo flessibile e senza dover costruire e tagliare fette da lingotti , evitando quindi sfridi e costose tecnologie di crescita del lingotto e della cella.
Attualmente grazie ai numerosi programmi di finanziamento dei vari governi europei ed extraeuropei, il mercato dei lingotti e dei wafer in silicio ha avuto una brusca impennata con le conseguenze di aumentarne i costi e renderne difficile la reperibilità.





Wafer pronti per diventare celle fotovoltaiche
Lingotto di silicio cristallino

Film sottile

SILICIO AMORFO (a-Si:H) TRADIZIONALE
La tecnologia al silicio amorfo è stata in passato e continua ad essere oggetto di numerosi investimenti in ricerca e sviluppo. E’ sicuramente la tecnologia meno costosa e più semplice da produrre, ma anche quella che garantisce i rendimenti più bassi: rispetto al 16% del silicio cristallino il silicio amorfo arriva al 6 – 8%. Inoltre solo da poco si è riusciti ad ottenere moduli fotovoltaici in amorfo con garanzie di funzionamento interessanti, 10 anni di garanzia contro i 25 anni del c-Si.
Il processo di creazione della cella è molto semplice: su un substrato rigido (vetro o metallo) vengono depositati con tecnologie adeguate (sputtering o evaporazione) più strati di materiale, due di questi strati (i più esterni) diventano elettrodi di conduzione, mentre lo strato interno diventa giunzione della cella fotovoltaica.





Trasparent Glass
Trasparent front contact
P substrate
N substrate
Metal electrode
Tipologia di costruzione della Cella a-Si:H
TECNOLOGIA a-Si:H TANDEM & TRIPLE JUNCTION
Derivata dalla tecnologia precedente (a-Si:H tradizionale) questa tecnologia innovativa permette un maggior rendimento di funzionamento, il quale in alcuni casi arriva al 12% (triple junction). In pratica vengono aggiunte ulteriori giunzioni , trattate in maniera differente, le quali hanno risposte diverse allo spettro della luce, aumentando quindi la banda di funzionamento nello spettro solare.
Ad esempio: un modulo fv costruito con questo tipo di tecnologia, paragonata al silicio cristallino C-Si, anche se di minor efficienza, a parità di potenza riesce a produrre in base annua un 20% in più di energia perché ha una migliore risposta alla radiazione solare diffusa.
La tecnologia Triple Junction Unisolar (immagini a lato) permette di costruire moduli fotovoltaici di tipo flessibile per svariati usi e inoltre permette di incollare le varie celle su substrati in acciaio (tetti in lamiera) e di altro materiale (guaina in PVC , etc.). La tecnologia Unisolar tra l’altro è l’unica a dare 20 anni di garanzia nel settore FILM SOTTILE.

TECNOLOGIA CADMIO TELLURIDE/CADMIOSULFIDE (CTS)
La cella solare CTS è composta da uno strato p (CdTe) e uno strato n (CdS) i quali formano una eterogiunzione p-n. La tecnologia di deposizione dei materiali si rifà a quella già elencata per il Silicio Amorfo.
Differentemente dalla tecnologia a-Si:H la cella CTS riesce a ottenere efficienze maggiori: 8-10% per prodotti industriali (15,8% ottenuto in laboratorio).
Uno dei problemi elencati per la produzione in larga scala della tecnologia CTS è il cadmio contenuto nella cella il quale può diventare un problema ambientale se non correttamente riciclato o utilizzato.
Test di celle FV in tecnologia CTS

TECNOLOGIA COPPER INDIUM DISELENIDE AND COPPER INDIUM/GALLIUM DISELENIDE (CIS e CIGS)
Altra tecnologia legata al settore film sottile, la CIS sta avendo un grande successo grazie agli ultimi risultati ottenuti con la ricerca sul disselenuro di rame/indio.
I risultati ottenuti danno un 13-15% di rendimento su celle testate in laboratorio, mentre aggiungendo del Galio (CIGS) questo valore, su celle di piccole dimensioni, può addirittura arrivare al 18%. Attualmente il valore su celle industriali si attesta intorno al 10 - 11%.
Si pensa che in futuro la tecnologia CIS potrà dare risultati equiparabili a moduli di egual misura e potenza costruiti con celle in silicio cristallino, ma con costi di produzione molto minori.


ARSENIURO DI GALLIO (GaAs) E DISPOSITIVI
AD ALTA EFFICIENZA

La tecnologia GaAs è attualmente la più interessante dal punto di vista dell’efficienza ottenuta, superiore al 25-30%, ma la produzione di queste celle è limitata da costi altissimi e dalla scarsità del materiale, utilizzato prevalentemente nell’industria dei “semiconduttori ad alta velocità di commutazione” e dell’optoelettronica (led e fototransistors).
Infatti la tecnologia GaAs viene utilizzata principalmente per applicazioni spaziali , dove sono importanti pesi e dimensioni ridotte. I risultati ottenuti con celle GaAs danno un’efficienza di conversione maggiore del 30%.
Nel 1999 un progetto congiunto tra Spectrolab e il National Renewable Energy Laboratory (NREL) ha raggiunto un record importante nelle conversione fotovoltaica, realizzando una cella solare con efficienza di conversione pari al 32,3%.
Questa cella a tripla giunzione è stata costruita utilizzando tre strati di materiali semiconduttori, fosfuro di indio/gallio su arseniuro di gallio su germanio (GaInP2/GaAs/Ge). Si ritiene che siano possibili ulteriori progressi in breve tempo tali da permettere il raggiungimento della soglia del 40%.
Cella GaAs

 
 
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