By Celle multi-giunzione
Negli ultimi anni si sta sviluppando sempre più una nuova tipologia di cella solare: la cella multi-giunzione. Inizialmente celle di questo tipo sono state usate solo in pochissimi ambiti come ad esempio le applicazioni spaziali.
La tecnologia si sta diffondendo ampiamente anche in ambito terrestre negli impianti fotovoltaici a concentrazione.
Nella realizzazione di queste celle normalmente non viene utilizzato il silicio ma si preferiscono composti formati da elementi semiconduttori appartenenti al III-V gruppo della tavola periodica come:
–l’Arseniuro di Gallio (GaAs)
–il Fosfuro di Indio (InP)
–l’Antimoniuro di Gallio (GaSb)
Una cella multi-giunzione riesce a garantire strati di materiali più sottili per ottenere l’effetto fotovoltaico, una migliore conversione della radiazione dello spettro solare in energia elettrica con un’efficienza che può variare dal 25% fino ad oltre il 50% e di conseguenza un notevole risparmio nello spazio occupato.
È una tipologia di cella che gode di una buona resistenza alle elevate temperature e possiede un minimo degrado in termini di efficienza nell’arco di tutto il suo funzionamento.
Il processo produttivo di questa tipologia di celle risulta molto complesso e costoso a causa dei composti semiconduttori che sono più rari del comune silicio. Il punto chiave che rende questa tecnologia ampiamente diffusa in ambito spaziale è l’altissima efficienza.
foto di una cella multi-giunzione
Funzionamento di una cella multi-giunzione
Le celle multi-giunzione vengono realizzate impilando 3 o più strati di materiali semiconduttori uno sopra l’altro. La soluzione migliore per ottenere un maggior assorbimento dello spettro luminoso consiste nell’impilare (dipende dalla metodologia costruttiva utilizzata per realizzare gli strati) uno strato sopra l’altro con i vari layer di materiale semiconduttore con bande energetiche (band-gaps) decrescenti.
In questo modo i layer superiori, avendo il band–gap più elevato, assorbono i fotoni aventi la più alta energia luminosa e lasciano passare quelli con la più bassa energia in modo tale che venga assorbita a mano a mano dagli strati sottostanti.
In genere per la realizzazione di questi strati si usa il processo pocanzi accennato del CVD. Un processo molto costoso e lungo.
Sebbene si stia lavorando per sviluppare celle con 4-5 o addirittura 6 giunzioni le celle multi-giunzione più comuni sono le 3 giunzioni e sono realizzate (in genere) con il trittico di materiali GaInP/GaInAs/Ge. Sono tipologie di celle ampiamente utilizzate in ambito spaziale che hanno “partecipato” già a diverse missioni spaziali.
struttura di una cella a 3 giunzioni chiamata anche Lattice Matched
Il funzionamento della singola giunzione nelle celle multi-giunzione non differisce se questa è associata ad altre giunzioni rispetto a quanto viene utilizzata come giunzione singola.
È importante poter ottenere e controllare una vasta quantità di livelli di drogaggio dei composti semiconduttori.
È fondamentale la presenza di materiali che separano una giunzione dall’altra in maniera tale da invertire la polarità n-p tra le giunzioni stesse.
Nel caso di una cella solare connessa in serie avente una singola polarità, questi materiali funzionano da giunzioni tunnel (tunnel-junctions) agendo come diodi configurati in polarità inversa rispetto alla configurazione originale dello stack, permettendo in questo modo il passaggio delle cariche elettriche nel senso voluto ed evitandone il passaggio nell’altro senso.
Il tutto può essere schematizzato con il seguente circuito elettrico:
circuito elettrico di una cella a 3 giunzioni
La struttura deve essere formata da layer di materiali di alta qualità al fine di assorbire efficacemente gli elettroni portatori minoritari e le lacune.
Inoltre, all’interno di queste strutture, si possono trovare materiali che fungono da layer inattivi per permettere la generazione dei portatori di carica.
Questi layer includono delle superfici anteriori e posteriori di passivazione tipicamente aventi un’energia di bandgap superiore ai layer attivi presenti nella cella.
Fonti:
