Le celle solari ad arseniuro di gallio per applicazioni...

AEI Giornata di Studio 2/12/2004 1

Le celle solari ad arseniuro digallio per applicazioni spaziali

Carlo FloresCESI

CESI


La cella solare

CESI

• Le cella solare è un dispositivo a semiconduttore in cui una giunzioneconverte direttamente l’energia solare incidente (Pin) in energiaelettrica 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 coppiadi portatori elettrone-lacuna. Non tutti i fotoni vengono convertiti!

Banda di conduzione

Banda di valenza

Fotone hv > Eg

e-

h+

Coppiaelettrone - buca Intervallo proibito d’energia

del semiconduttore detto band-gap (Eg)


La cella solare a singola giunzione

CARICO

e-

Fotoni

+N

P

griglia

CESI

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20

VOLTAGE (V)

CUR

RENT

(A)

Punto di massimapotenza

(Im, Vm)

η = Vm x Im / Psole x Areaη = Vm x Im / Psole x Area

FF = Voc x Isc/ Vm x ImFF = Voc x Isc/ Vm x Im


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.

CESI

Applicazione terrestre Tipologia Efficienza AM1.5Silicio 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 AM0Silicio monocristallino Pannelli piani 14-16%GaAs Pannelli piani 19-27%


0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 20

10

20

30

40

50

60

wa ve le ngth (um)

P owe r(W/m2)

AM0

AM5

AM2

AM1.5

Spettro nello spazio (vicino alla Terra)AM0Spettro terrestre AM 1.5

Lo spettro solare

CESI

1.36 kW/m2

1.00 kW/m2

• L’energia solare è poca edistribuita, da cui la difficoltàper un suo impiego diffuso in

campo terrestre. Ma nello spaziorappresenta l’unica fonte

disponibile per missioni di lungadurata.

η = Vm x Im / Psole x Areaη = Vm x Im / Psole x Area L’efficienza di una cella misurata a terraè maggiore di quella misurata nello spazio!


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 Soleaumenta la temperatura e la costante solare, verso l’esternodel sistema planetario le temperature scendono e la radiazionesolare diventa più debole.

• Una cella per poter operare nello spazio deve superarenumerosi e severi test di qualifica e ambientali.

CESI


I vantaggi del GaAs• Il GaAs è uno dei semiconduttori che meglio

converte la radiazione dello spettro solare inenergia elettrica.

• Tutta la radiazione viene assorbita in pochimicron sotto la superficie.

• Rispetto alle celle solari al Silicio quelle alGaAs:

– 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).

CESI


I vantaggi del GaAs

GaAs 23%

Si 13.5%

CESI

• Le celle al GaAs costano da 3 a 5volte più di quelle al silicio e pesanoil doppio.

• A livello di sistema costo e peso sonocompletamente 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


Prezzo delle celle al GaAsper lo spazio

CESI

8 cm2: 70/80 €

17 cm2: 110/120 €

30 cm2: 220/240 €

0.25 W

0.5 W

1 W

Prezzo da 200 a 300 €/W a seconda delledimensioni e delle specifiche

Prezzo da 200 a 300 €/W a seconda delledimensioni e delle specifiche


Pannelli solari per i satelliti

CESI

Uno dei tre elementi di un ala di un satellite di medie dimensioni


Esempio del dispiegamentoin orbita con lo Shuttle

CESI

Eureca / ESA


L’evoluzione dei pannelli solari

CESI

• L’aumento della potenzarichiesta dai satelliti modernirichiede l’uso di celle solari piùefficienti.

• Oggi circa il 70% dei satelliticommerciali utilizza celle alGaAs.

• Questa tecnologia si è affermatanegli ultimi 10 anni pur essendoil settore spaziale moltoconservatore! Gli USA sonoall’avanguardia nel campo.


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%

CESI

Substrate: N -Ge

Back Contact

Window: P+ -AlGaAs

Emitter: P+ -GaAs

Base: N-GaAs

Buffer: N+ -GaAs

Grid

P+ -GaAsAR AR

Diodo tunnel

Giunzione 3

Giunzione 2

Giunzione 1

Emitter: N+ -GaInP

Window: N+ -AlInP

Base: P -GaInP

BSF: P+ -AlInGaP

Grid

TD: N++-InGaP

TD: P++ -AlGaAs

Window: N+ -AlGaAs

Emitter: N+ -InGaAs

Base: P-InGaAs

Buffer: P+ -InGaAs

Substrate: P -Ge

N+ -GaAsAR AR

TD: N++-GaAs

TD: P++ -AlGaAs

Window: N+ -AlInP

Emitter: N -InGaP

Contact

Diodo tunnel

Le celle al GaAs sono ottenute depositando

i vari strati fisicamentecon tecniche di epitassia.Nel silicio la giunzionesi ottiene per diffusione

dei droganti.


La cella a tripla giunzione

InGaP

InGaAs

Ge

InGaP

InGaAs

Ge

Circuito equivalenteCircuito equivalente

+

_

CESI

Parte nonutilizzabile

Spettro solare

Giunzione 3

Giunzione 2

Giunzione 1

La connessione in seriedelle 3 giunzioni si

ottiene con diodi tunnel

Diodo tunnel:zona di funzionamento

V

I


CaratteristicheRisposta spettrale singola giunzione

Risposta spettrale tripla giunzione

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

350 550 750 950 1150 1350 1550 1750

Wavelength (nm)

Exte

rnal

QE

GeGeGaInPGaInP GaAsGaAs

Condizione importante: le correnti delle 3 celle devono essere confrontabili

per non penalizzare l’efficienza!

La tensione ai capi è data dallasomma delle 3 tensioni:

Vtot = V1 + V2 + V3

La corrente generata è quelladella giunzione che produce

meno corrente

CESI

Cella Tensione avuoto

Corrente dicorto circuito

Singola 1 V 32 mA/cm2

Tripla 2.6 V 16 mA/cm2


5.4 5.6 5.8 6.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5 AlP

AlAs

InP

InAs

Si

Ge

GaP

GaAs

0.50.4

0.30.2

0.10.9

0.80.7

0.60.5

0.40.3

(AlGa)InAs

(AlGa)InP

GaInNAs

Ga0.51In0.49P

Band

gap

[eV]

Lattice constant [Å]

Selezione dei materiali• Per realizzare celle a tripla giunzione è essenziale scegliere

semiconduttori con caratteristiche di costante reticolaresimili a quella del substrato (Germanio).

CESI


Celle a tripla giunzione insviluppo al CESI

050100150200250300

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Tensione (V)

Cor

rent

e (m

A)

Voc = 2.531 VIsc = 283.5 mAFF = 0.83Eff = 25.5%

Voc = 2.531 VIsc = 283.5 mAFF = 0.83Eff = 25.5%

CESI

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