Le celle solari ad arseniuro di gallio per applicazioni spaziali

Transcript

1 Le celle solari ad arseniuro di gallio per applicazioni spaziali Carlo Flores AEI Giornata di Studio 2/12/2004 1

2 La cella solare Le cella solare è un dispositivo a semiconduttore in cui una giunzione converte direttamente l energia solare incidente (Pin) in energia elettrica utilizzabile (Pout). L efficienza di conversione è quindi: Efficienza = Pout/Pin La cella solare sfrutta l effetto fotoelettrico, ossia ogni fotone incidente con energia hv superiore al gap del semiconduttore, genera una coppia di portatori elettrone-lacuna. Non tutti i fotoni vengono convertiti! Coppia elettrone - buca Fotone hv > Eg e - h + Banda di conduzione Intervallo proibito d energia del semiconduttore detto band-gap (Eg) Banda di valenza AEI Giornata di Studio 2/12/2004 2

3 Fotoni La cella solare a singola giunzione griglia e - N + CARICO Punto di massima potenza (Im, Vm) P CURRENT (A) 0.3 FF FF = Voc Voc x Isc/ Isc/ V m x m II m m η = V m x m II m / m / P sole x sole Area Area VOLTAGE (V) AEI Giornata di Studio 2/12/2004 3

4 Principali tipologie di celle In qualsiasi semiconduttore è possibile attivare l effetto fotovoltaico. A livello commerciale la scelta è limitata a celle e pannelli realizzati con semiconduttori ben noti. Applicazione terrestre Tipologia Efficienza AM1.5 Silicio cristallino e policristallino Pannelli piani 12-14% Film sottile: CIS, CdTe, Si amorfo Pannelli piani 8-14% GaAs (non ancora industriale) Concentratori 35% Applicazione spaziale Tipologia Efficienza AM0 Silicio monocristallino Pannelli piani 14-16% GaAs Pannelli piani 19-27% AEI Giornata di Studio 2/12/2004 4

5 Lo spettro solare Power (W/m 2) AM0 AM1.5 AM2 AM wavelength (um) Spettro nello spazio (vicino alla Terra) AM0 Spettro terrestre AM 1.5 L energia solare è poca e 1.36 kw/m 2 distribuita, da cui la difficoltà 1.00 kw/m 2 per un suo impiego diffuso in campo terrestre. Ma nello spazio rappresenta l unica fonte disponibile per missioni di lunga durata. η = V m x m II m / m / P sole x sole Area Area L efficienza di una cella misurata a terra è maggiore di quella misurata nello spazio! AEI Giornata di Studio 2/12/2004 5

6 L ambiente spaziale Nello spazio attorno alla terra le celle solari sono sottoposte a severe condizioni ambientali: Radiazioni (elettroni e protoni), tempeste solari periodiche Elevate escursioni termiche (-100 C, +100 C) dovute alle eclissi Presenza di detriti e meteoriti Le missioni interplanetarie sono più severe: verso il Sole aumenta la temperatura e la costante solare, verso l esterno del sistema planetario le temperature scendono e la radiazione solare diventa più debole. Una cella per poter operare nello spazio deve superare numerosi e severi test di qualifica e ambientali. AEI Giornata di Studio 2/12/2004 6

7 I vantaggi del GaAs Il GaAs è uno dei semiconduttori che meglio converte la radiazione dello spettro solare in energia elettrica. Tutta la radiazione viene assorbita in pochi micron sotto la superficie. Rispetto alle celle solari al Silicio quelle al GaAs: sono più efficienti (27% contro il 15%) resistono meglio alle radiazioni e quindi durano di più degradano meno alle temperature cui operano i pannelli solari nello spazio (70 C). AEI Giornata di Studio 2/12/2004 7

8 I vantaggi del GaAs Si 13.5% GaAs 23% Le celle al GaAs costano da 3 a 5 volte più di quelle al silicio e pesano il doppio. A livello di sistema costo e peso sono completamente compensati da: durata maggiore riduzione dell area dei pannelli a pari potenza installata (30-50%) maggiore W/kg e W/m2 riduzione dei costi di lancio minore carburante necessario al controllo d assetto AEI Giornata di Studio 2/12/2004 8

9 Prezzo delle celle al GaAs 8 cm 2 : 70/80 per lo spazio 0.25 W 17 cm 2 : 110/ cm 2 : 220/ W Prezzo Prezzo da da a a /W /W a a seconda seconda delle delle dimensioni e e delle delle specifiche 1 W AEI Giornata di Studio 2/12/2004 9

10 Pannelli solari per i satelliti Uno dei tre elementi di un ala di un satellite di medie dimensioni AEI Giornata di Studio 2/12/

11 Esempio del dispiegamento in orbita con lo Shuttle Eureca / ESA AEI Giornata di Studio 2/12/

12 L evoluzione dei pannelli solari L aumento della potenza richiesta dai satelliti moderni richiede l uso di celle solari più efficienti. Oggi circa il 70% dei satelliti commerciali utilizza celle al GaAs. Questa tecnologia si è affermata negli ultimi 10 anni pur essendo il settore spaziale molto conservatore! Gli USA sono all avanguardia nel campo. AEI Giornata di Studio 2/12/

13 Tipologie di celle al GaAs Esistono due tipi di celle solari al GaAs per applicazione spaziale: le celle a singola giunzione caratterizzate da efficienza del 19-20% le celle a tripla giunzione caratterizzate da efficienza dal 24 al 28% Giunzione 3 Grid AR N + -GaAs Window: N + -AlInP Emitter: N + -GaInP Base: P -GaInP BSF: P + -AlInGaP AR AR Grid P + -GaAs Window: P + -AlGaAs Emitter: P + -GaAs Base: N-GaAs Buffer: N + -GaAs Substrate: N -Ge AR Le celle al GaAs sono ottenute depositando i vari strati fisicamente con tecniche di epitassia. Nel silicio la giunzione si ottiene per diffusione dei droganti. Diodo tunnel Giunzione 2 Diodo tunnel Giunzione 1 TD: P ++ -AlGaAs TD: N ++ -InGaP Window: N + -AlGaAs Emitter: N + -InGaAs Base: P-InGaAs Buffer: P + -InGaAs TD: P ++ -AlGaAs TD: N ++ -GaAs Window: N + -AlInP Emitter: N -InGaP Substrate: P -Ge Back Contact Contact AEI Giornata di Studio 2/12/

14 La cella a tripla giunzione Spettro solare Parte non utilizzabile Circuito equivalente InGaP _ La connessione in serie delle 3 giunzioni si ottiene con diodi tunnel I InGaAs Giunzione 3 Ge Giunzione 2 Giunzione 1 + Diodo tunnel: zona di funzionamento V AEI Giornata di Studio 2/12/

15 Caratteristiche La tensione ai capi è data dalla somma delle 3 tensioni: Vtot = V 1 + V 2 + V 3 La corrente generata è quella della giunzione che produce meno corrente Condizione importante: le correnti delle 3 celle devono essere confrontabili per non penalizzare l efficienza! Risposta spettrale singola giunzione External QE GaInP GaInP GaAs GaAs Risposta spettrale tripla giunzione Ge Ge Wavelength (nm) Cella Tensione a vuoto Corrente di corto circuito Singola 1 V 32 ma/cm 2 Tripla 2.6 V 16 ma/cm 2 AEI Giornata di Studio 2/12/

16 Selezione dei materiali Per realizzare celle a tripla giunzione è essenziale scegliere semiconduttori con caratteristiche di costante reticolare simili a quella del substrato (Germanio). Bandgap [ev] 2.5 AlP GaP Si (AlGa)InP AlAs Ga (AlGa)InAs 0.51 In 0.49 P InP GaAs GaInNAs Ge InAs Lattice constant [Å] AEI Giornata di Studio 2/12/

17 Celle a tripla giunzione in sviluppo al Corrente (ma) Voc = V Voc = V Isc = ma Isc = ma FF = 0.83 FF = 0.83 Eff = 25.5% Eff = 25.5% Tensione (V) AEI Giornata di Studio 2/12/