Celle solari cresciute mediante MOVPE basate su materiali III-V: problematiche e prospettive

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Romina Cavaliere
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1 Celle solari cresciute mediante MOVPE basate su materiali III-V: problematiche e prospettive M.Bosi, C. Pelosi, G. Attolini Istituto IMEM-CNR (Parma)

2 Outline Celle solari III-V per applicazioni spaziali Esigenze Tecnologia Prestazioni Ricaduta della tecnologia spaziale in applicazioni terrestri Problematiche nell uso dei III-V in ambito terrestre Utilizzo con sistemi a concentrazione In tandem con Silicio Cella Monolitica Celle solari presso IMEM (PR) Il nostro lavoro Progetti

3 Celle solari per applicazioni spaziali Silicio Semiconduttori III-V: GaAs, Ge, InGaP Fonte di energia per satelliti e l esplorazione spaziale Affidabilità, alta efficienza, elevato tempo di vita, peso ridotto, resistenza alle radiazioni solari

4 Celle solari per applicazioni spaziali Eterogiunzioni tra semiconduttori III-V: GaAs, InGaP, Ge, (InGaAsN) Celle monolitiche, cresciute per epitassia Ogni semiconduttore opera in una determinata regione spettrale 2 giunzioni 3 giunzioni 4 giunzioni future generation nm Prima giunzione: InGaP Prima giunzione: InGaP Prima giunzione: InGaP 400 Seconda giunzione: GaAs Seconda giunzione: GaAs Seconda giunzione: GaAs 800 Substrato Ge o GaAs Terza giunzione: InGaAsN 1200 giunzione tunnel Terza giunzione: Ge Quarta giunzione: Ge 1600 Substrato Ge Substrato Ge 2000

5 Celle solari per applicazioni spaziali Celle a quadrupla giunzione

Celle solari per applicazioni spaziali www.spectrolab.

Each satellite is usually equipped with two such arrays The average maximum power

6 Celle solari per applicazioni spaziali 51-foot, four-panel solar array. Each satellite is usually equipped with two such arrays The average maximum power efficiency will be 27.4%, with an end-of-satellite-life efficiency of 24.1% after 15 years Spirit - Esplorazione di Marte 1.3 m 2 celle solari tripla giunzione 28% di efficienza

7 Applicazioni terrestri Problematiche nell utilizzo di semiconduttori III-V in ambito terrestre Elevato costo del dispositivo Costo del substrato, area ridotta (4 GaAs - 6 Ge) Costo della tecnologia Produzione di massa di difficile realizzazione Spectrolab: 10 reattori epitassiali 7000 substrati (4 ) a settimana 55 m 2 di celle solari a settimana Punti di forza dei semiconduttori III-V Tecnologia assodata Affidabilità del dispositivo Lungo tempo di vita Possibilità di lavorare in alta concentrazione

8 Sistemi a concentrazione Applicazioni terrestri Riduzione dell area delle celle necessarie Riduzione dei costi Tracking aumento dell efficienza Facilità di installazione Possibilità di utilizzo in tandem di diverse celle Università di Ferrara

9 Applicazioni terrestri Specchio dicroico III-V (InGaP) Silicio

10 Applicazioni terrestri Ricaduta della tecnologia spaziale in ambito terrestre Necessità di adattare le celle III-V alle esigenze del terrestre: Differenza tra lo spettro nello spazio (AM0) e lo spettro terrestre (AM1.5) Ri-ottimizzazione della cella (spessori, drogaggio) La concentrazione aumenta le correnti generate nella cella: la cella deve sopportare tali condizioni operative Celle monolitiche a quadrupla giunzione potranno in futuro essere utilizzate singolarmente su concentratori Alta concentrazione (2000 soli)

11 La ricerca presso IMEM Crescita epitassiale per MOVPE di composti III-V a base di Arsenico e Fosforo per applicazioni spaziali MOVPE: Metallo Organic Vapor Phase Epitaxy 2 T~600 C

12 La ricerca presso IMEM Home made substrato 2 TMG, TMI, TMA, DMZn, DMHy, CBr 4 AsH 3, PH 3, SiH 4 Carrier gas: H 2 T ~ 700 C, P ~ 60 mbar Materiali: GaAs InGaP AlGaAs drogaggio n (Si), p (Zn,C) GaAsN

13 La ricerca presso IMEM Problematiche nella crescita di celle solari III-V GaAs / GaAs Ridotta area dei substrati (4 ) e costo elevato GaAs / Ge Mismatch con GaAs (0.07%) Polarità della superficie, domini di antifase In x Ga 1-x P / GaAs Matching per x~0.49 Fase ordinata InGaP coesistente con la fase disordinata GaAsN, InGaAsN Difficoltà di incorporazione dell azoto Drastica diminuzione del rate di crescita

14 Attività attuali e collaborazioni La ricerca presso IMEM Celle solari InGaP: crescita, caratterizzazione: Univ. Di Ferrara (Prof. Martinelli) Dip. Fisica Univ. Di Valladolid (Spagna) IMEM GaAsN: crescita, caratterizzazione: Raman Dip. Fisica di Parma (prof. P.P.Lottici) Université Pierre et Marie Curie (Parigi, Francia) Progetto europeo HEROE (ultra High Efficiency cost-effective cells: the Road of III-V thin films from space to Earth) sviluppo di moduli fotovoltaici basati su celle III-V a multigiunzione integrati in concentratori realizzazione di celle III-V su substrati a costo ridotto Sviluppo di un reattore per crescita di GaAs/Ge su substrati a larga area (6 )

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