L’attività di ricerca nel campo dei materiali

L'attività di ricerca è orientata fondamentalmente alla riduzione dei costi globali e, a tale scopo, ci si muove in tre direzioni: riduzione dei costo dei materiale di partenza, riduzione dei costo di fabbricazione e miglioramento dell'efficienza di conversione. Il costo del materiale di partenza, come già detto, può essere mantenuto basso perché il silicio usato nella fabbricazione delle celle non necessita di gradi di purezza tanto elevati quanto quelli necessari per la costruzione dei componenti elettronici a semiconduttori. Per questo motivo si è puntata l'attenzione su sistemi di produzione di silicio di grado solare anziché elettronico.

Diversi tipi di celle fotovoltaiche sono attualmente in fase di studio. Fra queste le più promettenti sono:

- le celle all'arseniuro di gallio (GaAs) per la caratteristica di mantenere un'elevata efficienza a temperature elevate, appaiono particolarmente indicate per i sistemi a concentrazione; o quelle a solfuro di cadmio (CdS) che, sebbene presentino un'efficienza di molto inferiore a quella dei GaAs (circa la metà), hanno d'altro canto costi di produzione di un ordine di grandezza più bassi;

- le celle a film sottile; dal punto di vista economico sono le più promettenti perché usano substrati a basso costo e processi di manifattura adatti a produzioni di massa. La più sviluppata è sicuramente quella ad eterogiunzione solfuro di rame (CU2S) - solfuro di cadmio (CdS), in cui l'assorbimento dei fotoni ha luogo nello strato di CU2S e gli elettroni generati, diffondendo attraverso l'eterogiunzione, passano nel CdS. I valori di efficienza del 56% sono inferiori a quelli ottenibili con celle in silicio monocristallino; d'altra parte il rapporto prestazioni/costi è senz'altro più elevato che nelle celle al silicio di usuale fabbricazione. Purtroppo l'instabilità delle caratteristiche elettriche a seguito di esposizione alla luce naturale, attualmente ne limita l'impiego. Poiché tale instabilità è dovuta a una variazione delle caratteristiche dei CdS, sono stati fatti tentativi di sostituire tale materiale con altri più stabili, quali diseleniuro di indio e rame (CulnSe2), tellururo di cadmio (Cd-Te), fosfato di indio (lnP), tutti piuttosto promettenti per ciò che riguarda l'efficienza. Altri film sottili oggetto di studi sono gli strati policristallini di arseniuro di gallio (GaAs) e arseniuro di gallio e alluminio (GaAlAs), depositati su film di grafite, molto promettenti dal punto di vista della stabilità, ma che attualmente non mostrano elevati valori di efficienza per produzioni in larga scala. Tra i film sottili, comunque, è il già citato silicio amorfo che raccoglie la maggior parte degli investimenti in ricerca e sviluppo. A livello di laboratorio sono state realizzate celle con oltre il 12% di efficienza utilizzando complesse strutture costituite da più giunzioni P-N. Per questo materiale resta comunque da risolvere il grave problema della stabilità alla radiazione luminosa;

- le celle a giunzione multipla “tandem”, un ulteriore progresso nella tecnologia delle celle fotovoltaiche a film sottile è stato compiuto sviluppando in laboratorio celle in cascata, sovrapponendo cioè più celle per sfruttare meglio lo spettro solare. Nel caso di due celle sovrapposte, la cella superiore ha la funzione di raccogliere la luce di frequenza più elevata e lasciare passare quella di frequenza più bassa che viene sfruttata dalla seconda cella. Per esempio, il silicio amorfo assorbe fonti di energia superiore a 1,75 eV e il CuInSe2 assorbe fotoni di energia superiore a 1,0 eV, pertanto due celle sovrapposte basate su questi materiali consentono di sfruttare in modo ottimale lo spettro solare dall'ultravioletto all'infrarosso. Per quanto riguarda i materiali con cui sono prodotte queste strutture, è stata presa in considerazione una grande varietà di combinazioni;

- le celle a concentrazione; la ricerca nel campo delle celle solari ad alto rendimento, in particolare negli Stati Uniti, ha portato allo studio di celle da utilizzare con concentratori luminosi. Queste celle sono in genere estremamente sofisticate e vengono realizzate con GaAs monocristallino come materiale di partenza. L'elevato costo di queste celle non è necessariamente un problema in quanto l'uso di concentratori di radiazione solare permette di sostituire l'area coperta dalle celle con un' equivalente area a esempio di lenti di plastica. Le sofisticate celle a concentrazioni composte da più giunzioni "tandem" hanno permesso di ottenere una efficienza di conversione record pari a circa il 37%.

Nel campo della ricerca e sviluppo di nuovi materiali e di nuove strutture di cella grandi progressi sono stati ottenuti negli ultimi anni. La fig. 21 mostra l'incremento dell'efficienza di conversione nel corso degli ultimi anni per diversi tipi di celle fotovoltaiche di laboratorio.