Celle solari multigiunzione con efficienza record del 44,7%

La tecnologia fotovoltaica sta facendo passi da gigante per quanto riguarda le prestazioni energetiche dei pannelli.

Le ultime ricerche arrivano da un istituto tedesco, il Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE che ha seguito una particolare sperimentazione in collaborazione con il CEA-Leti e con l'Helmholtz Center Berlin.

L'oggetto è una nuova cella solare multigiunzione composta da quattro sottocelle e con un rendimento energetico che arriva al 44,7%. Un risultato impressionante, che supera di un punto percentuale il rendimento raggiunto nel 2013. I ricercatori puntano, però, ad ottenere ben il 50% da questo tipo di celle.

Nello specifico, si tratta di pannelli di ultima generazione con celle multigiunzione III-V, usate nei moduli solari a concentrazione (CPV) e prodotti con una nuova procedura di fabbricazione molto costosa e complessa, chiamata "wafer bonding".

A proposito di questi risultati, Frank Dimroth, responsabile del progetto, dichiara: "Siamo incredibilmente orgogliosi del fatto che, dopo 3 anni di lavoro, il nostro team è riuscito a creare questa cella multi giunzione quadrupla: il lavoro contiene tutte le informazioni e le competenze acquisite in anni e anni di ricerca".

(Pannelli solari a concentrazione)

Il sistema delle celle solari multigiunzione è una nuova tecnologia detta di terza generazione, perché nata successivamente allo sviluppo prima delle celle cristalline in silicio, che si sviluppano in mono e poli cristallino e amorfo, poi delle celle solari organiche ibride, e, infine, dalle celle fotovoltaiche a film sottile.

Le celle solari multigiunzione sono nate inizialmente per l'applicazione in ambito aerospaziale ma, nel corso degli ultimi anni, sono diventate un elemento fondante per la tecnologia di impianti fotovoltaici a concentrazione.

La loro composizione interna è molto diversa dalle celle tradizionali perché si preferisce sostituire il silicio con composti metallici diversi, o meglio, elementi semiconduttori che appartengono ai gruppo III-V della tavola periodica, da cui, appunto il nome.

I composti sono a base di Gallio (GaAs), Fosfuro di Indio (InP) e l'Antimoniuro di Gallio (GaSb), una combinazione molto simile alle celle solari a film sottile, che utilizzano il Cigs, acronimo di rame, indio e gallio.

(Comparazione dimensionale fra una cella al silicio ed una a tripla giunzione)

La caratteristica fondamentale di una cella multigiunzione è il maggior rendimento energetico dovuto alla sua composizione interna. Questa, infatti, non è lineare è cristallina come nei tradizionali pannelli in silicio, ma è composta da veri e propri strati di materiali molto sottili sovrapposti gli uni sugli altri.

La conseguenza di una strutturazione del tipo è un'amplificazione dell'effetto fotovoltaico che ne garantisce il corretto funzionamento, ovvero quel "Fenomeno consistente nell'insorgere di una forza elettromotrice ai capi di particolari materiali o dispositivi illuminati".

(Comparazione energetica fra una cella al silicio ed una a multigiunzione)

I vantaggi che ne derivano sono intuitivamente molti. Primo fra tutti il rendimento, che oscilla fra il 25% e il 50%, perché ogni strato è un grado di catturare diverse radiazioni dello spettro luminoso e questo da come risultato una migliore conversione in energia elettrica. Sempre per merito degli strati, gli elettroni all'interno della struttura sono molti di più e molto più veloci permettendo anche un risparmio a livello fisico dello spazio occupato.

Queste celle, inoltre, funzionano anche alle alte temperature, sono molto più robuste delle tradizionali e hanno una durata maggiore.

Gli svantaggi della tecnologia sono ovviamente i costi, sia nella produzione della struttura che nella composizione chimica dei semiconduttori che sono molto più rari del comune silicio.

Il nuovo metodo sperimentato da centro di ricerca è il "wafer bonding", che consiste nell'impacchettare a livello delle nanostrutture interne, i vari componenti.

I ricercatori, a questo proposito, dichiarano: "Il wafer bonding svolge un ruolo fondamentale: con questa tecnologia, siamo in grado di collegare due semiconduttori di cristallo, che altrimenti non potrebbero essere montati l'uno sull'altro senza perdere in qualità. In questo modo si può produrre la combinazione ottimale di semiconduttori, allo scopo di toccare i livelli massimi di efficienza".