energia solare – La terza generazione di celle solari garantirà un’efficienza oltre il limite teorico del 40,7%.
L’aggiunta di una stretta banda di stati energetici entro l’intervallo proibito dei materiali semiconduttori è un primo passo in questa direzione. Ad oggi, i fondamenti del funzionamento relativo alle celle solari a banda intermedia sono stati dimostrati a livello sperimentale.
La banda intermedia permette l’assorbimento di fotoni a bassa energia che altrimenti vengono trasmessi attraverso il materiale fotovoltaico. I calcoli teorici hanno dimostrato che l’efficienza può raggiungere il 63% con una luce solare concentrata.
L’obiettivo del progetto SIRACUSA (Study on intermediate band materials with prevailing radiative carrier recombination for superior solar energy applications) era quello di sviluppare una tale cella solare ad alta efficienza attraverso l’inserimento di una banda aggiuntiva mediante un profondo livello di impurità.
I ricercatori hanno analizzato un’alternativa per l’inserimento di punti quantici nella regione intrinseca di un semiconduttore p-i-n.
Grazie all’epitassia a fascio molecolare, è stata creata una banda intermedia attraverso l’incorporazione di un’alta concentrazione di ferro (Fe) all’interno di arseniuro di gallio (GaAs), co-drogato con silicio.
Al fine di caratterizzare il materiale è stata utilizzata la spettrometria di massa degli ioni secondari, la quale ha confermato un’alta concentrazione di Fe. Le proprietà elettriche sono state studiate in base alle misure dell’effetto Hall.
La presenza di livelli con profonda impurità nell’intervallo proibito di un semiconduttore è tradizionalmente considerata dannosa per le prestazioni delle celle solari. Tuttavia, la teoria prevede che, quando vengono incorporate in concentrazioni sufficientemente elevate, le funzioni d’onda relative a specie estranee si sovrappongono per formare una banda concessa ed eliminare i processi non radiativi.
Prima del progetto SIRACUSA, la maggior parte delle pratiche di realizzazione del concetto inerente alla banda intermedia erano orientate verso l’uso delle nanotecnologie: in particolare i punti quantici. Questi ricercatori sono stati i primi a tentare la fabbricazione di celle solari GaAs:Fe a banda intermedia.
La fotorisposta ai fotoni con energia al di sotto della banda proibita è stata adattata al fine di emergere principalmente dagli antisiti As e dai centri vacanti Ga. L’introduzione di stati di energia supplementare all’interno della banda proibita mediante atomi Fe ha contribuito anche alla generazione di corrente fotoelettrica.
L’elevata esigenza di corrente fotoelettrica deve essere fornita mantenendo al tempo stesso la tensione di circuito aperto della cella solare. A tale fine, sarà opportuno esercitare un più rigoroso controllo del processo di crescita al fine di produrre un materiale di alta qualità per le celle, a bassa temperatura.
Quando si tenta di realizzare il concetto di banda intermedia, esistono diversi materiali e sistemi proposti a livello teorico. La scelta migliore potrebbe essere nascosta tra i numerosi candidati attualmente in fase di studio.
10 giugno 2016
