La tecnologia del fotovoltaico

(La trasformazione dell'energia luminosa in energia elettrica)

Pubblicato il 18 maggio 2018 dalla dott.ssa M. Saponaro spec. in fisica nucleare

Nel 1839 il fisico Edmond Becquerel riuscì a trasformare l'energia luminosa in energia elettrica. Ci volle un altro secolo per comprendere come gli elettroni del semiconduttore, eccitati dall'energia luminosa, andassero a costituire il flusso elettrico.

Il termine fotovoltaico significa elettricità prodotta dalla luce. Foto deriva dal greco φως(luce) mentre Volt discende da Alessandro Volta.

I sistemi fotovoltaici alimentano le comunicazioni satellitari, pompe per l'acqua, abitazioni, segnali ed apparecchiature stradali, macchine calcolatrici ed orologi da polso. Le celle fotovoltaiche variano dalla dimensione di un francobollo a diversi centimetri. L'insieme di celle forma il modulo fotovoltaico che, a sua volta, è parte del sistema fotovoltaico.

La cella fotovoltaica assorbe energia luminosa che viene trasferita agli elettroni del semiconduttore. Gli elettroni, estratti dalle loro normali posizioni, vanno a costituire il flusso elettrico (* campo elettrico incorporato).

Semiconduttori in silicio cristallino

Le celle solari sono costituite da semiconduttori che conducono la corrente elettrica mediante due modalità di moto:

  1. flusso di cariche negative
  2. flusso di cariche positive

(* a differenza dei metalli che conducono solamente mediante cariche negative)

Celle di silicio cristallino

Le celle fotovoltaiche più usate sono di silicio cristallino. Gli atomi del silicio sono costituiti da elettroni, protoni e neutroni. Protoni e i neutroni costituiscono il nucleo dell'atomo mentre gli elettroni, più leggeri, orbitano intorno al nucleo. Gli atomi contengono un numero uguale di protoni ed elettroni (carica neutra).

Gli elettroni orbitano a diverse distanze a seconda del livello energetico: gli elettroni con minore energia sono più vicini al nucleo, mentre gli elettroni con maggiore energia orbitano più lontano. Gli elettroni a maggiore energia (elettroni di valenza) interagiscono con gli atomi vicini per formare il cristallo.

Il silicio ha 14 elettroni, gli elettroni di valenza sono quattro.

In un solido cristallino ciascun atomo condivide uno dei quattro elettroni di valenza con i quattro atomi vicini. L'unità di base è formata da cinque atomi di silicio, l'atomo originale + quattro atomi con i quali condivide gli elettroni di valenza.

Questa composizione è chiamata reticolo cristallino. Quando la luce colpisce il reticolo cristallino gli elettroni possono essere liberati. Non tutti i fotoni, ovvero i pacchetti di energia, sono uguali. L'energia necessaria a liberare l'elettrone è detta energia di gap.

L'energia di gap

L'energia di gap è l'energia necessaria a staccare un elettrone dal legame covalente consentendogli di inserirsi in un circuito elettrico.

I fotoni con energia maggiore all'energia di gap trasformeranno l'energia extra in calore. Il cristallo di silicio ha una energia di gap pari a 1.1 eV (elettron-volt). Le energie di gap di altri semiconduttori vanno da 1.0 eV a 1.6 eV. In questo intervallo gli elettroni possono essere liberati senza creare calore extra.

L'energia di un fotone varia a seconda della lunghezza d'onda della luce. L'intero spettro solare, dall'infrarosso all'ultravioletto, va da ≅0.5 eV a ≅2.9 eV. Ad esempio la luce rossa ha una energia di circa ≅1.7 eV, mentre quella blu ha un'energia di ≅2.7 eV.

La maggior parte delle celle fotovoltaiche utilizzano circa il 55% dell'energia solare.

La luce libera gli elettroni all'interno del reticolo cristallino, ma questi, per fornire elettricità, devono essere separati e condotti in un circuito elettrico.

Semiconduttori tipo P e tipo N

Per creare un campo elettrico all'interno di un cristallo di silicio occorre accoppiare due livelli con caratteristiche diverse. I semiconduttori di tipo P (positivi) abbondano di lacune cariche positivamente, i semiconduttori di tipo N (negativi) abbondano di elettroni carichi negativamente. Quando i due livelli entrano in contatto, gli elettroni in eccesso si muovono da N a P, il risultato è un accumulo di cariche positive e negative.

I due semiconduttori si comportano come una batteria, creano un campo elettrico sulla superficie di contatto, la giunzione P-N. Il campo elettrico fa sì che gli elettroni si muovano dal semiconduttore verso la superficie negativa, rendendoli disponibili al circuito elettrico. Allo stesso tempo le lacune si muovono in direzione opposta verso la superficie positiva dove attendono gli elettroni.

Il processo di doping consiste nell'inserimento di un atomo di un altro elemento nel cristallo di silicio. L'elemento introdotto ha tre o cinque elettroni di valenza, uno in meno o uno in più dei quattro del silicio.

Gli atomi di fosforo, che hanno cinque elettroni, sono usati per trattare il silicio di tipo N perché il fosforo cede il suo quinto elettrone libero. L'atomo di fosforo occupa lo stesso posto occupato dall'atomo di silicio nel reticolo cristallino. Quattro dei suoi elettroni di valenza acquisiscono il legame dei quattro elettroni di valenza del silicio che sostituiscono, ma il quinto elettrone di valenza rimane libero, in quanto non ha responsabilità di legame.

Il metodo di trattamento più comune per il tipo N è quello di ricoprire il silicio con il fosforo e riscaldare la superficie, il trattamento termico consente la diffusione degli atomi di fosforo nel silicio. Un altro metodo è la diffusione gassosa.

Per trattamento del tipo P si introduce il boro durante il processo di purificazione. La sostituzione dell'atomo di silicio con uno di boro genera una lacuna carica positivamente.

L'ottimizzazione del livello P

I fotoni sono assorbiti dal livello P, ed è importante che sia idoneo ad assorbire quanta più energia possibile. Il disegno del livello P deve anche evitare la combinazione tra gli elettroni e le lacune prima che l'elettrone esca dalla cella fotovoltaica. Per raggiungere questo obiettivo i livelli P devono essere disegnati per liberare gli elettroni quanto più vicino possibile alla giunzione, in modo tale che il campo elettrico attraversi il livello di conduzione N fino a raggiugere il circuito elettrico.

L'ottimizzazione del livello P migliora l'efficienza di conversione, maggiore energia luminosa è convertita in energia elettrica.

Il silicio monocristallino

Per creare un unico cristallo di silicio è necessario fonderlo e farlo solidificare insieme ad un cristallo denominato seme. Il silicio ad elevato di purezza, durante il raffreddamento, si adatta alla configurazione del seme.

Silicio multi-cristallino

I sistemi con silicio multi-cristallino sono meno efficienti di quelli monocristallini.

Il silicio multi-cristallino può essere prodotto in diversi modi. In genere il silicio è messo in uno stampo e fatto solidificare. Il materiale iniziale può essere assimilato a un silicio di grado inferiore. Il rapporto di raffreddamento è un fattore che determina la misura dei cristalli e la distribuzione delle impurità.

Il silicio amorfo

silicio amorfo

I solidi amorfi, come ad esempio il comune vetro, sono materiali i cui atomi sono disposti disordinatamente e contengono molte imperfezioni strutturali.

Nel 1974, alcuni ricercatori iniziarono a sperimentare il silicio amorfo per celle fotovoltaiche. Oggi il silicio amorfo viene utilizzato per apparecchiature  consumer come gli orologi da polso e le calcolatrici.

La casualità strutturale del silicio amorfo causa deviazioni dette legami ciondolanti. Tali legami rendono disponibili dei posti che consentono la combinazione di elettroni e lacune, ma possono essere neutralizzati con l'idrogeno.

Il silicio amorfo assorbe la radiazione solare 40 volte di più del silicio monocristallino, così che un film di circa un micron può assorbire il 90% dell'energia luminosa. Questa è una delle ragioni principali per cui il silicio amorfo può ridurre i costi di una cella fotovoltaica.

Può essere depositato su supporti a basso costo come ad esempio plastica, vetro o metallo. Il silicio amorfo è ideale per le abitazioni. Il silicio amorfo non ha l'uniformità strutturale del silicio mono cristallino e i legami ciondolanti permettono agli elettroni di combinarsi con le lacune. Il silicio amorfo può essere sottoposto ad un processo di idrogenazione: gli atomi di idrogeno si combinano chimicamente con i legami ciondolanti e li rimuovono.

La cella solare

Una cella solare tipica è costituita da una copertura di vetro (cover glass), un rivestimento anti-riflesso (antireflection coating), una superficie di contatto anteriore (front contact), una superficie di contatto posteriore (back contact).

La superficie di contatto posteriore della cella (la parte lontana dall'irraggiamento luminoso), è composta da uno strato di alluminio o molibdeno.

La parte frontale, quella rivolta al sole, è più complessa. Quando il sole illumina la cella fotovoltaica, una corrente di elettroni fluisce sulla superficie. Per ottenere maggiore corrente, i contatti devono essere dislocati su tutta la superficie della cella. Usualmente si realizza una tessitura di filamenti di rame od altro conduttore. Un'accortezza importante è la giusta sezione. Filamenti troppo spessi rischiano di oscurare le parti captanti riducendo l'efficienza di conversione. Filamenti troppo sottili ostacolano il flusso della corrente elettrica con perdite di resistenza e produzione di calore. Devono essere evitati errori di progettazione che comportino effetti di oscuramento e perdite di resistenza elettrica. In genere si progettano griglie con fingers molto sottili distribuiti su tutta la superficie della cella.

Le griglie possono essere molto elaborate e possono influenzare l'affidabilità della cella. In alcuni casi vengono depositati dei vapori metallici tramite una maschera, in altri i filamenti vengono serigrafati. Un'ulteriore alternativa è uno strato uniforme di ossido conduttore (ad esempio l'ossido di stagno SnO2). Questo sistema consente di ottenere una buona trasparenza ed una discreta conduttività.

La copertura anti-riflesso

Il silicio è un materiale grigio brillante che riflette oltre il 30% della luce che lo illumina. Per migliorare l'efficienza di conversione di una cella solare, deve essere minimizzata la quantità di luce riflessa.

Per ridurre la riflessione sono utilizzate due tecniche:

  1. coprire la superficie con uno strato sottile di monossido di silicio SiO. Un singolo strato riduce la riflessione del 10%, un secondo strato può diminuire la riflessione di un ulteriore 4%;
  2. lavorare la superficie con incisioni chimiche per creare delle sfaccettature che catturano i raggi luminosi;

Materiali per celle fotovoltaiche

Le celle fotovoltaiche possono essere realizzate con diversi semiconduttori. Ciascun materiale ha caratteristiche uniche che influenzano la convenienza per applicazioni specifiche. I materiali possono differire in base alla cristallinità, alla banda di gap, all'assorbimento ed alla complessità realizzativa.

I materiali maggiormente utilizzati sono i seguenti:
  1. Silicio Si che comprende:
    • silicio monocristallino;
    • silicio multi cristallino;
    • silicio amorfo;
  2. Sottili film policristallini comprendenti:
    1. selenio indio rame CIS;
    2. tellurio di Cadmio CdTe;
    3. silicio con film sottili;
  3. Film sottili monocristallini comprendenti materiali altamente efficienti come l'arsenio di gallio GaAs;

Il silicio

Del silicio se ne è ampiamente parlato nella prima parte della pagina.

Film sottili policristallini

Le celle di sottili film policristallini sono fatte di molti granelli cristallini sottili di materiali semiconduttori. I materiali che vengono utilizzati in queste celle hanno proprietà differenti da quelle del silicio.

Le celle a film sottili hanno molti vantaggi rispetto a quelle con film spessi. Ad esempio:

  1. utilizzano molto meno materiale;
  2. l'area attiva della cella ha uno spessore di 1 - 10 micron;
  3. le celle a film sottile possono essere prodotte in larga scala;
  4. possono essere depositati su materiali flessibili;

Il termine film sottile deriva dal metodo utilizzato per depositare il film. Le celle a film sottile sono depositate a livello di atomi, molecole o ioni molto sottili e consecutivi.

Modalità di deposito dei film sottili

Il deposito dei film sottili può essere effettuato in varie maniere:

  1. deposito di vapori fisici;
  2. chimici, elettrochimici;
  3. tecniche combinate;

I film sottili possono essere depositati su diversi supporti a basso costo come il vetro, l'acciaio  e la plastica.

La stessa tecnica può essere utilizzata per fare celle piccole o grandi. I film sottili non devono essere interconnessi in un modulo. I sistemi a film sottili possono essere un'unica unità, con livelli sovrapposti sequenzialmente.

Struttura della cella a film sottile

Diversamente dalla maggior parte di celle monocristalline, un tipico sistema a film sottile non ha una griglia di metallo per il contatto elettrico a livello superiore. Utilizza uno strato sottile di un ossido conduttore trasparente. L'ossido conduce bene la corrente elettrica. Può essere aggiunta una copertura antiriflesso, a meno che l'ossido trasparente non svolga anche questa funzione.

Il campo elettrico è creato con una interfaccia tra i diversi semiconduttori. Questo tipo di interfaccia è detta etero-giunzione, ed è costituita da materiali diversi.

Il film policristallino ha un livello superiore denominato livello finestra. Il livello finestra assorbe l'energia luminosa dalla parte terminale dello spettro. Deve essere sufficientemente sottile ed avere una banda di gap abbastanza ampia (anche oltre 2.8 eV). Il livello sotto la finestra, di solito tipo P, deve avere un elevata capacità di assorbire fotoni ed una banda di gap adatta a fornire un buon voltaggio. Lo spessore varia da 1 a 2 micron.

CIS - Diseleniuro di Rame e Indio

Il diseleniuro di rame e indio (CIS) ha un assorbimento estremamente elevato, che significa che il 99% della luce che illumina il CIS è assorbita nel primo micron di materiale. Le celle fatte di CIS sono in etero-giunzione formata tra semiconduttori con gap diversi. Il materiale più comune per il livello superiore del CIS, o livello finestra, è il solfato di cadmio e zinco per aumentare la trasparenza. L'aggiunta di piccole quantità di gallio al livello CIS più basso aumenta il gap di banda. Questa variazione viene chiamata diseleniuro di rame, indio e gallio o cella fotovoltaica CIGS.

Tellurio di Cadmio

Il tellurio di cadmio (CdTe) è un altro materiale policristallino a film sottile. Con una banda di gap quasi ideale pari a 1.44 eV, il CdTe ha anche un altissimo grado di assorbimento. Benché il CdTe è utilizzato nella maggior parte dei casi nei device fotovoltaici senza essere alterato, può venire facilmente alterato con zinco, mercurio e alcuni altri elementi per variare le sue proprietà. Come per il CIS, i film di CdTe possono essere realizzati utilizzando tecniche a basso costo.

Come il CIS, le migliori celle CdTe utilizzano una interfaccia in etero-giunzione, con il solfato di cadmio (CdS) che agisce come un sottile livello finestra. L'ossido di stagno viene utilizzato come un ossido conduttore trasparente e come copertura anti-riflesso. Un problema con il CdTe è che i film di CdTe di tipo P tendono ad essere altamente resistivi con grandi perdite interne di resistenza. Una soluzione è quella di consentire al livello di CdTe di essere intrinseco (cioè né tipo P, né tipo N, ma naturale) e di aggiungere un livello di tellurio di zinco di tipo P (ZnTe) tra il CdTe e il contatto elettrico posteriore. Benché il CdS di tipo N e il ZnTe di tipo P sono separati, essi formano ancora un campo elettrico che si estende attraverso il CdTe intrinseco. Quando si arriva a fare le celle di CdTe, sono possibili una varietà di metodi, comprendenti la sublimazione a spazio chiuso, l'elettrodeposizione e il deposito di vapore chimico.

Il silicio a film sottile

Il termine silicio a film sottile si riferisce in particolare ai sistemi fotovoltaici basati su silicio diversi dalle celle di silicio amorfo e dalle celle di silicio monocristallino (dove il livello di silicio è più spesso di 200 micrometri). Questi film hanno un elevata capacità di assorbimento della luce e possono richiedere uno spessore della cella di soli pochi micrometri o meno. Il silicio nanocristallino e il silicio policristallino a piccoli granelli, considerato silicio a film sottile, è in grado di sostituire le celle superiori di silicio amorfo in sistemi multi-giunzione. Come nel caso di altri film sottili, i vantaggi comprendono i risparmi sul materiale, il disegno monolitico del device, l'utilizzo di substrati a basso costo e i processi di produzione a temperature basse e possibilmente su larga scala.

Film mono-cristallini sottili utilizzati nel fotovoltaico

I film mono-cristallini sottili sono fatti di arseniuro di gallio (GaAs), un semiconduttore composto da una mescolanza di gallio e arsenico.

Il gallio è un sottoprodotto della fusione di altri metalli, di solito alluminio e zinco ed è più raro dell'oro. L'arsenico non è raro, ma velenoso. L'arseniuro di gallio è stato sviluppato per l'utilizzo nelle celle solari circa nello stesso periodo in cui è stato sviluppato per I diodi ad emissione di luce, I laser e altri "device" elettronici che utilizzano la luce.

Le celle solari GaAs offrono alcuni benefici:
Film mono-cristallini

Le celle di arseniuro di gallio ad alta efficienza per essere convenienti devono essere utilizzate per sistemi di concentrazione.

Uno dei più grandi vantaggi dell'arseniuro di gallio e delle sue leghe utilizzati come materiali per le celle fotovoltaiche è che sono utilizzati in una serie di design. Una cella con una base di GaAs può avere alcuni livelli con una composizione leggermente differente. Questo consente ai progettisti di celle di controllare in modo preciso la generazione e il raggruppamento di elettroni e lacune. Per raggiungere lo stesso risultato le celle di silicio sono state limitate nelle variazioni del livello di trattamento. Questo grado di controllo consente ai progettisti di celle di rendere i livelli di efficienza sempre più prossimi a quelli teorici. Ad esempio una delle strutture più comuni di GaAs ha un livello finestra fatto di arseniuro di gallio e alluminio molto sottile. Questo livello sottile consente di creare elettroni e lacune vicino al campo elettrico della giunzione.

La maggiore barriera al successo delle celle di GaAs è stato il costo elevato di un substrato formato da un mono-cristallo di GaAs. Per questa ragione le celle di GaAs sono utilizzate principalmente nei sistemi di concentrazione, dove una tipica cella è di circa 0.25 cm2 ma può produrre un'ampia potenza ad elevate concentrazioni. In tale configurazione il cost oil costo è sufficientemente basso da rendere le celle di GaAs competitive, assumendo che le efficienze del modulo siano comprese tra il 25% e il 30% e che il resto del sistema fotovoltaico sia conveniente.

I ricercatori stanno esplorando diversi approcci per ridurre i costi dei sistemi GaAs. Questi includono il posizionamento delle celle di GaAs su substrati più economici; l'incremento delle celle di GaAs su un substrato removibile e riutilizzabile; e la realizzazione di film sottili di GaAs, simili a quelli fatti di diseleniuro di rame e indio e tellurio di cadmio.

Cristallinità

La cristallinità di un materiale indica quanto è perfetto il livello di ordinamento degli atomi nella struttura del cristallo. Il silicio, come altri materiali semiconduttori, può essere di forme diverse; monocristallino, multi- cristallino, policristallino e amorfo. In un materiale monocristallino, gli atomi che formano il reticolo del cristallo sono ripetuti regolarmente e ordinatamente su tutti i livelli.

Al contrario in un materiale fatto di diversi cristalli più piccoli, l'ordinamento non c'è passando da un cristallo a un altro.

Gap di banda

Il gap di banda di un materiale semiconduttore è l'energia minima necessaria per spostare un elettrone dal suo stato di legame in un atomo allo stato libero. Lo stato libero è quello nel quale l'elettrone può essere coinvolto nella conduzione. Il livello di energia inferiore di un semiconduttore è denominato "banda di valenza", mentre il livello di energia più alto dove un elettrone è libero di muoversi è chiamato "banda di conduzione".

Il gap di banda è la differenza di energia tra le bande di valenza e di conduzione.
Assorbimento

Il coefficiente di assorbimento di un materiale indica quanto la luce con una specifica lunghezza d'onda (o energia) può penetrare un materiale senza essere assorbita. Un piccolo fattore di assorbimento indica che la luce non è assorbita dal materiale.

Il coefficiente di assorbimento di una cella fotovoltaica dipende da 2 fattori: il materiale della cella e la lunghezza d'onda o l'energia della luce della luce che viene assorbita. Le celle fotovoltaiche hanno un limite nel coefficiente di assorbimento in quanto la luce con energia inferiore al gap di banda non può liberare un elettrone.

Complessità realizzativa

Gli elementi più importanti di una cella solare sono i livelli del semiconduttore perché da essi dipende l'espulsione degli elettroni e la creazione della corrente elettrica. Alcuni materiali semiconduttori possono essere utilizzati per realizzare I livelli nelle celle fotovoltaiche e ciascun materiale ha I suoi lati positivi e negativi.

Il costo e la complessità realizzativa variano a seconda dei materiali per diversi fattori quali ad esempio: deposito in ambiente vuoto, quantità e tipo di materiale utilizzato, numero di passi necessari e necessità di spostare le celle in diversi ambienti di deposito.

Strutture delle celle fotovoltaiche

Il disegno delle strutture di una cella fotovoltaica, o cella solare, dipende dai limiti del materiale utilizzato nella cella. I quattro modelli principali sono i seguenti:

Celle mono-giunzione

Il silicio cristallino è il principale esempio di questo tipo di cella. Un unico materiale, il silicio cristallino, è alterato in modo da costituire da una parte il tipo "p", dominato da lacune positive, e dall'altra il tipo "n", dominato da elettroni negativi. La giunzione p/n è realizzata in modo tale che la maggior parte della luce sia assorbita vicino ad essa. Gli elettroni liberi e le lacune generati dalla luce si diffondono nella giunzione p/n e poi si separano per produrre una corrente elettrica se il silicio è sufficientemente di buona qualità.

Nel disegno di questa giunzione, possono essere variati i seguenti elementi della cella per aumentare l'efficienza di conversione:

Alcune celle mono-giunzione possono avere i contatti elettrici positivi e negativi sulla parte posteriore della cella. Questa geometria elimina l'effetto di ombreggiamento causato dalla griglia elettrica posta sopra alla cella. Uno svantaggio è che i portatori di carica, che sono generati nella maggior parte dei casi vicino alla parte superficiale della cella devono attraversare tutta la cella, fino alla parte posteriore per raggiungere i contatti elettrici. Per consentire questo, il silicio deve essere di ottima qualità, senza difetti del cristallo che causano la ricombinazione di elettroni e lacune.

Celle etero-giunzione

Un esempio di questo tipo di cella è denominata Cigs ed è un composto a base di rame, indio, gallio e selenio. A parità di spessore è in grado di assorbire più radiazione solare del silicio e manifesta maggiore duttilità: infatti può essere prodotto in lamine sottili con una tecnologia utile per la realizzazione di pannelli leggeri e flessibili.

I livelli più alto e più basso di una cella etero-giunzione hanno ruoli diversi. Il livello più alto, o "livello finestra", è costituito da un materiale con una elevata banda di gap selezionato per la sua trasparenza alla luce. La finestra consente a quasi tutta la luce incidente di raggiungere il livello più basso costituito da un materiale con bassa banda di gap che assorbe facilmente la luce. Questa luce poi genera elettroni e lacune molto vicino alla giunzione, che aiuta a separare gli elettroni e le lacune prima che si ricombinino.

Le celle etero-giunzione hanno un vantaggio intrinseco rispetto alle celle mono-giunzione che è quello che richiedono materiali che possono essere trattati sia con il tipo "n" che con il tipo "p". Molti materiali fotovoltaici possono essere trattati o con il tipo "p" e con il tipo "n", ma non con entrambi. Inoltre poiché le etero-giunzioni non hanno questo limite, possono essere investigati molti materiali promettenti per produrre celle ottimali.

Inoltre un livello finestra con elevato gap di banda diminuisce la resistenza di serie della cella. Il materiale con effetto finestra può essere reso altamente conduttore e lo spessore può essere aumentato senza ridurre la trasmissione della luce. Come risultato gli elettroni generati dalla luce possono facilmente fluire nel livello finestra per raggiungere un contatto elettrico.

Celle [ PIN ] e [ NIP ]

La struttura di una cella fotovoltaica di tipo p-i-n è costituita da un sandwich a 3 livelli, con al centro un livello intrinseco di tipo "i" o non trattato o debolmente trattato tra un livello di tipo-n e un livello di tipo-p. Questa struttura mette in piedi un campo elettrico tra le regioni di tipo-p e di tipo-n

Le celle fatte di un film sottile di silicio amorfo utilizzano una struttura p-i-n, mentre le celle di tellurio di cadmio (CdTe) utilizzano una struttura n-i-p.

Quando la luce raggiunge il diodo, si formano in esso le coppie di elettroni e lacune. . La distanza da esse coperta dipende da diversi fattori (tipo di materiale, temperatura, omogeneità della struttura fisica, tipo di legami reticolari etc.) ed è nota come lunghezza di diffusione; il tempo medio che passa prima che la coppia si ricombini si definisce invece "lifetime".

A differenza della giunzione p/n, qui la generazione si ha all'interno dello strato intrinseco, di spessore relativamente elevato, che è la vera zona attiva del dispositivo. Un'altra differenza fondamentale con la cella p/n è che il meccanismo con cui si forma la corrente fotovoltaica non è quello della diffusione dei portatori dalle regioni neutre sino alla giunzione, ma è il trasporto degli stessi ad opera del campo elettrico. In sostanza attraverso il diodo p-i-n si fa in maniera che la regione di svuotamento sia molto più ampia in modo da sfruttare il meccanismo del trasporto in luogo di quello della diffusione.

Seguendo l'orientamento del campo elettrico, che in un modello ideale si estende uniformemente da "n" verso "p", le lacune vengono trascinate verso la regione "p" dove si accumulano oltre il bordo della RCS (regione di carica spaziale o di ricombinazione) per formare un polo a potenziale positivo, mentre gli elettroni compiono il percorso nella direzione opposta formando un polo a potenziale negativo sul bordo della regione "n"

Quindi il sistema di spostamento dei portatori è un altro, ma l'effetto finale è lo stesso: una polarizzazione diretta del diodo.

La sequenza dei materiali per una struttura p-i-n standard è data da:

La configurazione opposta, definita n-i-p offre la possibilità di utilizzare come substrati materiali non trasparenti, metallo o plastica. In questo caso la cella è esposta alla luce dalla parte opposta al substrato, la deposizione degli strati procede dallo strato "n" e l'effetto di riflessione è svolto da uno o più strati resi sufficientemente rugosi in modo da conferire la proprietà di light-trapping.

Celle multi-giunzione

Celle multigiunzione

Questa struttura, chiamata anche cella a cascata o tandem, può raggiungere un livello di efficienza di conversione totale più elevato con la cattura di una porzione maggiore dello spettro solare. In una tipica cella multi-giunzione, le singole celle con differenti bande di gap sono impilate una sull'altra in modo tale che la luce del sole cada prima sul materiale con la banda di gap maggiore. I fotoni che non sono assorbiti nella prima cella sono trasmessi alla seconda cella che assorbe la porzione maggiore dell'energia solare rimasta mentre rimane trasparente ai fotoni di bassa energia. Questo processo di assorbimento selettivo continua fino all'ultima cella, che ha la banda di gap più piccola.

Una cella multi-giunzione è un pila di celle a giunzione singola in ordine discendente di banda di gap (Eg). La cella superiore cattura i fotoni ad alta energia e passa il resto dei fotoni alle celle con bande di gap inferiori.

Questo sistema multi-giunzione ha nella parte superiore una cella di fosfato di indio e gallio, una giunzione tunnel per consentire il flusso di elettroni tra le celle e nella parte inferiore una cella di arseniuro di gallio.

La struttura di una cella fotovoltaica CdTe è simile a una cella a-Si cell, eccetto per l'ordine dei livelli che è invertito. In particolare, in una tipica cella CdTe, il livello superiore è di tipo "p" solfato di cadmio (CdS), il livello intermedio è intrinseco CdTe, e il livello inferiore è di tipo "n" tellurio di zinco (ZnTe).

Una cella multi-giunzione può essere realizzata in 2 modi. Nel primo 2 celle solari singole sono realizzate indipendentemente, una con un elevato valore di banda di gap e l'altra con un valore più basso. Poi le 2 celle sono unite meccanicamente una sull'altra. Nel sistema monolitico, invece viene realizzata prima una cella solare completa e poi i livelli della seconda sono fatti crescere o depositati direttamente sul primo.

La ricerca nelle celle multi-giunzione si è focalizzata sull'Arsenio di gallio come una delle componenti principali delle celle. Queste celle hanno un'efficienza superiore al 35% se esposte a una concentrazione di luce solare, che è elevate per sistemi fotovoltaici. Altri materiali studiati sono il silicio amorfo e il selenio indio rame.

dr.ssa Madia Saponaro spec. in fisica nucleare in collaborazione con arch. Giuseppe Pinardi

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