PV Concentrating Systems Alferov

5/10/2018 PV Concentrating Systems Alferov - slidepdf.com

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Sistemi fotovoltaici a concentrazione per uso terrestre

1. Introduzione: approccio delle celle III-V e dei concentratori nelleapplicazioni terrestri

L’inizio della ricerca sui concentratori solari con celle di tipo III-V è partito,

apparentemente, dalla pubblicazione [1]. Questo lavoro fece da pioniere nel dimostrare

l’importante proprietà delle celle a eterogiunzione AlGaAs, e cioè la loro capacità di

operare efficientemente in condizioni di concentrazione di diverse centinaia di soli.

Da allora, nel corso di oltre 30 anni, diversi gruppi di ricerca negli USA, Europa e

Giappone sono stati impegnati per sviluppare quegli aspetti di questo approccio come ilmiglioramento nella struttura della fotocella e nella tecnologia di fabbricazione, la

creazione di sistemi a concentrazione ottica efficace, la progettazione di moduli e degli

inseguitori solari, una soluzione del problema di raffreddamento.

L’interesse per i sistemi a concentrazione è cresciuta sostanzialmente dopo che le

celle a multipla giunzione a più alta efficienza hanno dimostrato la possibilità di

raggiungere efficienze di conversione attorno al 40-50% [2,3]. Comunque, proprio la

varietà di problemi, che ha richiesto il reclutamento di esperti di campi del tutto diversi, ha

permesso una notevole durata degli sviluppi.

Ciò ha causato una situazione per la quale la commercializzazione dei sistemi a

concentrazione con celle a multi giunzione inizia solo oggi.

Un altro fattore che ha determinato le dinamiche degli sviluppi era la mancanza di

un’accurata valutazione della specificità del problema nella fase iniziale.

Il punto è che nella coscienza degli sviluppatori, imbarcati alla fine degli anni ’70 e

all’inizio degli anni ’80 nella creazione di un sistema fotovoltaico a concentrazione, esiste

un’immagine di un sistema, dove ogni coppia “concentratore - fotocella” potrebbe

assicurare una potenza in uscita la più elevata possibile in assoluto. Tale approccio era

pienamente in linea con quanto era stato attivamente concepito a quel tempo nella

progettazione dei materiali semiconduttori di potenza per le tecniche di conversione

dell’energia.

Comunque, dovrebbe essere rilevato che esiste un’importante distinzione tra i sistemi

a conversione come quello “da energia solare a energia elettrica” e quello “da energia

elettrica a energia elettrica” (per esempio, “AC → DC”). Questo risiede nella caratteristica

della potenza di consegna.



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L’energia solare ha un carattere distribuito, con bassa densità, mentre l’energia

elettrica è concentrata nei conduttori. Inoltre, nel caso della conversione dell’energia

solare, il calore dissipato sembra essere di almeno un ordine di grandezza superiore

rispetto al caso della conversione elettricità-elettricità.In questa connessione una situazione ideale per la conversione dell’energia solare

avverrebbe quando una alta concentrazione ottica della luce del sole si verifica, ma il

carattere distribuito della dissipazione del calore persiste, in relazione ai moduli piatti

senza concentrazione. Questa situazione, che sembra essere un paradosso, può

comunque realizzarsi in un sistema a concentrazione PV con piccole dimensioni assolute

dei concentratori e delle fotocellule. Il laboratorio PV dello Ioffe Institute, a lato della sua

fondazione, tra gli anni 70 e 80, ha ereditato una ampia esperienza di ricerchepionieristiche nel campo delle strumentazioni di ottica elettronica, basate su

semiconduttori III-V, prima di tutto semiconduttori laser e LED così come celle solari

AlGaAs/GaAs per le applicazioni spaziali.

Allo stadio iniziale è stato indirizzato questo laboratorio allo sviluppo e alla risoluzione

dell’intero set di problemi sui concentratori fotovoltaico: celle solari, concentratori ottici,

sistemi di raffreddamento, sistema di inseguimento ed equipaggiamento di

caratterizzazione. Ciononostante fu pagato un tributo all’approccio convenzionale di

progettazione e installazione dei primi moduli a concentrazione, nei quali degli specchi di

grande area, con diametro di 0,5-1 m, focalizzavano la luce solare su celle di diversi cm2

raffreddati da acqua o per mezzo di “pipes” [5] ( vedi anche figura 1, sulla sinistra).

La comparsa della tecnologia accessibile per fabbricare le lenti di Fresnel ha

determinato la revisione del modulo fotovoltaico. Le celle solari ora possono essere

posizionate dietro i concentratori. L’involucro potrebbe servire come protezione dagli

agenti atmosferici (figura 1 al centro). Siccome le lenti di Fresnel avevano delle dimensioni

più piccole, dell’ordine di 25x25 cm2, le dimensioni delle fotocellule furono anch’esse

abbassate a meno di 1 cm2. Le caratteristiche di queste fotocellule furono migliorate

riducendo la perdita interna di ohm e semplificando l’assemblaggio. Per raffreddare le

celle fu sufficiente utilizzare la conduzione del calore dell’involucro metallico con un fondo

e con pareti di spessore adeguato. Tracciare le tendenze in questo sviluppo permise di

proporre alla fine degli anni ‘80 un concetto di radicale riduzione nelle dimensioni dei

concentratori ma mantenendo alti fattori di concentrazione.

Il primo modulo sperimentale di questo tipo era formato da un pannello di lenti

ciascuna di 1x1 cm2 che focalizzavano la radiazione sulla cella AlGaAs/GaAs di



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dimensioni millimetriche (vedi figura 1, sulla destra). Allo stesso tempo venivano formulati i

principali vantaggi di un modulo con una piccola area di apertura del concentratore. Questi

vantaggi risiedevano nel fatto che i requisiti furono essenzialmente abbassati lavorando

sulla capacità della cella di disperdere il calore. Sul suo coefficiente di dilatazione termicae sul suo spessore. La distanza focale di lenti con area a piccola apertura era comparabile

con lo spessore strutturale di moduli convenzionali senza concentratori. La successiva

ottimizzazione di tutte le parti costruttive, che permettevano specifiche caratteristiche di

montaggio e corrispondenza ottica delle coppie lente-cella, si realizzò nella creazione, alla

fine degli anni ’90, di moduli fotovoltaici (all-glass) con pannelli con lenti di Fresnel di area

a piccola apertura (ciascuna di 4x4 cm2).

I pannelli di lenti avevano una struttura composita a vetro e silicone simile a quelladescritta in lavori precedenti ma che non avevano trovato un successivo avanzamento a

quel tempo.

FIGURA 1 – Fotografie dei sistemi a concentrazione realizzati recentemente allo Ioffe

Institute e che impiegano differenti tipi di concentratore: specchi parabolici, lenti di fresnel

di misura convenzionale, lenti con area a piccola apertura.



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Alla fine degli anni ’90, inizi 2000, i moduli di concentrazione all-glass equipaggiati

con celle a singola giunzione AlGaAs/GaAs e, più tardi, celle a doppia giunzione furono

fabbricate e testate. Questo lavoro fu portato avanti grazie alla stretta cooperazione dei

team di ricerca dell’Ioffe Institute e Fraunhofer Institute.A tutt’oggi un progetto commerciale per organizzare la produzione di moduli a

concentrazione all-glass è in sviluppo con il nome registrato di FLATCON. Negli anni

recenti il team dell’Ioffe Institute, il laboratorio PV, ha sviluppato sia il progetto di moduli a

concentrazione modificati sia il sistema di inseguimento solare per installazioni pratiche

(all’esterno?). Uno spazio di prima importanza nello sviluppo fu occupato da un

equipaggiamento speciale per svolgere test indoor sulle celle solari a concentrazione e

moduli a concentrazione assemblati.

2. Design del modulo a concentrazione

Un’alta concentrazione consiste in rapporti di concentrazione da 100x e può

raggiungere parecchie migliaia. Le celle al silicio sofisticate possono essere usate sino a

250x, mentre le celle solari III-V possono essere utilizzate per più alte concentrazioni (sino

a parecchie migliaia). Recentemente, la carenza di materiale ha causato un incrementodel prezzo per i moduli di silicio cristallino, questo fatto ha avuto un impatto sulla riduzione

dei costi del sistema fotovoltaico. (come è possibile?)

Il fotovoltaico ad alta concentrazione è una soluzione alternativa all’applicazione del

fotovoltaico solare come risorsa di energia affidabile. Comunque, le celle solari sono solo

un aspetto delle prestazioni di potenza (Wp) di un sistema a concentrazione.

Il design del modulo deve essere deliberatamente semplice per assicurare dei bassi

costi di fabbricazione dei concentratori ad alta efficienza ottica e un effettivoabbassamento del calore.

Inoltre, è di vitale importanza la capacità di operare a lungo termine.

I vantaggi di un modulo fotovoltaico a concentrazione con sotto moduli di area a

piccola apertura sono i seguenti:

• Basse perdite ohmiche sulla piccola superficie della cella solare (1-2 mm2);

• Nessuna necessità di compensare la differenza di espansione termica tra i

materiali della cella e il dissipatore;• Uno spessore ridotto dei moduli (sino a diversi centimetri);



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• Riduzione degli effetti (detrimental?) delle aberrazioni cromatiche

sull’operatività della cella (nel caso di concentratori rifrattivi);

• Bassa deteriorabilità dell’involucro del modulo e del dissipatore;

• Possibilità di applicare per i moduli fotovoltaici i metodi ad alta produzionesviluppati nell’industria elettronica;

Nel caso dei sotto moduli a piccola area di apertura può essere usato un vetro

silicato molto stabile e poco costoso in una pila con un materiale dissipatore relativamente

sottile (rame o acciaio). A dispetto delle basse proprietà termoconduttive del vetro, il calore

può essere dissipato nell’aria, come avviene nei moduli classici piatti senza

concentrazione.Se il vetro avesse delle proprietà di isolamento superiori, sarebbe possibile

connettere le celle in un circuito elettrico di qualsiasi configurazione, assicurando la

sicurezza elettrica di un modulo nel suo complesso. Persino le pareti dell’involucro

possono essere fatte di vetro e questo giustifica l’approccio del design del modulo “tutto-

vetro” (all-glass).

2.1 Ottiche di concentrazione

Il problema da risolvere è la stabilità a lungo termine dei concentratori solari.

Per i concentratori rifrattivi (Lenti di Fresnel) esiste una tendenza a sostituire i

tradizionali “materiali acrilici” con più ecologici polimeri stabili (che è l’obiettivo di qualsiasi

team di ricerca). Il team di ricerca dello Ioffe Institute ha indirizzato lo studio su una

struttura composita di Lenti di Fresnel, dove uno strato di vetro silicato (la parte anteriore

del modulo) viene utilizzato come un super strato per silicone trasparente (dentro) conmicroprismi di Fresnel. A loro volta i microprismi sono formati da composti a

polimerizzazione di silicone direttamente sullo strato di vetro con l’uso di uno stampo

profilato negativamente. I vantaggi di questo approccio sono basati su una alta stabilità del

silicone alla radiazione, un’eccellente resistenza agli shock termici e alle alte/basse

temperature, buone proprietà adesive in un assemblaggio col vetro silicato.

Lo spessore mediamente piccolo dei prismi assicura un più basso assorbimento di

luce solare in confronto con lenti di Fresnel acriliche di normale spessore (vedi figura 2).



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FIGURA 2 – Trasmittanza ottica di un campione con struttura a vetro-silicone, che

simula una lente di Fresnel composita, confrontata con quella di una lente di Fresnel

convenzionale acrilica.

I diagrammi ottici di sotto moduli concentratori con lenti di Fresnel di struttura

composita sono mostrati in figura 3.

FIGURA 3 – Diagrammi ottici dei sotto moduli concentratori corrispondenti al design

del modulo “tutto-vetro” (all-glass).



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La versione a assicura la più alta efficienza ottica del sistema grazie a minime perdite

di riflessione. Ma questo implica la sigillatura ermetica dell’involucro del modulo nel suo

complesso, o una protezione speciale della singola cella dall’ambiente esterno. La

dissipazione del calore è ottenuta tramite la superficie dello strato posteriore di vetro.Nelle versioni b e c le celle sono montate su dissipatori di calore a forma di truogolo

posizionati dietro lo strato posteriore di vetro. In questo caso la dissipazione del calore si

verifica direttamente nell’ambiente e uno strato di vetro posteriore serve come protezione

per tutte le celle di un modulo. Un involucro può avere i canali per l’equalizzazione di

pressione interna ed esterna dell’aria e per l’allontanamento dell’acqua condensata. Nella

versione b lo strato posteriore di vetro è un sub strato per un pannello della lente

secondaria. Quest’ultimo caso può beneficiare di un ulteriore incremento nel rapporto diconcentrazione di un sistema.

La figura 4 mostra per differenti distanze focali della lente (F) e diametri del ricevitore

(d) le efficienze ottiche assolute misurate contro (versus the input aperture??) l’apertura

(L) delle lenti di Fresnel quadrate composite. Un piccolo decremento nell’efficienza ottica

per bassi valori di apertura della lente e variazioni di d da 3 a 1,5 mm (quando il diametro

di una ideale immagine del solare è piccola per una certa data distanza focale) indica una

certa diffusione della luce sulle imperfezioni delle facce. Per valori di d=0,9 mm questo

decremento è più significativo probabilmente a causa del fatto che la parte di “basic sun

image” viene tagliata. Quando l’area delle lenti comincia a essere comparativamente larga

le aberrazioni cromatiche e la diffusione della luce causate da imperfezioni della forma

delle lenti nelle fessure più profondamente periferiche incominciano ad essere più

importanti (?). Esistono solo minori effetti della distanza focale F sull’efficienza della lente

sebbene una lente a fuoco corto dovrebbe essere più efficiente per piccoli diametri di

ricevitore. L’utilizzo di lenti di Fresnel composite (40x40 mm2) in area di apertura con

distanze focali intorno agli 80 mm sembra essere giustificata per diametri della cella

intorno a 2 mm senza ottiche secondarie.



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FIGURA 4 – Efficienze ottiche assolute misurate contro l’apertura L di lenti di Fresnel

quadrate composite prive di ricoprimento antiriflessione per differenti distanze focali della

lente (F) e diametri del ricevitore (d).

Le misure di efficienza ottica aiutano a scegliere il diametro dell’area designata di una

cella solare che opera in un sistema di lente primaria+secondaria (PL+SL).Una lente di quarzo dalla superficie sottile e liscia caratterizzata da una efficienza

ottica definita del 91% per una definita (e abbastanza bassa) area di apertura veniva

utilizzata nella procedura di misura come lente di riferimento. La figura 5 presenta i risultati

di queste misure in relazione al diametro del foto ricevitore.

Ci sono quattro variazioni nelle misure:

• La lente di riferimento di quarzo (F=85mm) viene installata senza la lente

secondaria e senza lo strato posteriore di vetro per la calibrazione;



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• La lente di quarzo viene installata con una lente secondaria al silicone per

ottenere una situazione ideale rispetto all’efficienza ottica, poiché un sistema

PL+SL è praticamente libero da aberrazioni di lenti e imperfezioni di

superficie;• La lente di Fresnel 40x40 mm2 (F=80mm) è installata senza la lente

secondaria al silicone;

• Infine, il caso dell’arrangiamento della figura 3,b rappresentato per le misure;

FIGURA 5 – Dipendenza dell’efficienza ottica in base al diametro del ricevitore.

Curve superiori – la lente di riferimento di quarzo è usata come un concentratore primario

senza e con la lente secondaria al silicone. Curve inferiori – la lente di Fresnel composita

40x40 mm2

è usata come concentratore primario.

Si può vedere dalla figura 5 che l’introduzione di una SL aumenta considerevolmente

l’efficienza ottica in un caso pratico “Fresnel PL+SL al silicone” per bassi valori di dr .

L’iniziale calo dell’efficienza è causato da riflessioni di Fresnel su due interfacce

addizionali. Se per un sistema a concentrazione senza SL il dr è uguale a 2mm è una

scelta ragionevole, per il sistema PL+SL questa scelta potrebbe essere dr=1,2mm che

porterebbe a un incremento nel rapporto medio di concentrazione di un fattore di circa 2.5.



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L’efficienza ottica del sistema PL+SL può essere aumentata applicando un ARC

specialmente nel caso di lenti secondarie costituite di vetro silicato. Il pannello delle lenti

secondarie può avere una struttura monolitica insieme con lo strato di vetro posteriore,

essendo protetto dalle particelle abrasive nelle versioni del modulo b e c di figura 3.Di grande importanza è l’accuratezza fuori dal normale (off normal?) che deve essere

realizzata in un sistema a concentrazione. I corrispondenti risultati di misure sono

presentati nella figura 6. Il diagramma superiore mostra un comportamento fuori dal

normale dei sotto moduli senza SL a dr=2mm, mentre i diagrammi inferiori sono per il caso

di sistemi PL+SL a dr=1,2mm.

Il principale risultato che può essere dedotto dalla figura 6 è che il comportamento

fuori dal normale del sistema Fresnel PL+SL silicone a dr=1,2mm è piuttosto simile aquello del concentratore a lente di Fresnel da solo a dr=2mm. A causa di uno spot focale

leggermente più largo, l’efficienza ottica è più bassa rispetto al caso di un sistema ideale

con quarzo PL in posizione e più alta partendo da angoli definiti fuori dal normale (starting

from definite off-normal angles?).



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FIGURA 6 – Curve off-normal per i sotto moduli sperimentali con e senza lenti

secondarie per diametro del ricevitore di 2 e 1,2 mm.

È chiaro che in sistemi ad alta concentrazione i rapporti di concentrazione possono

significativamente eccedere un valore medio. Comunque l’efficienza ottica di un sistema a

concentrazione lente-cella raggiunge il suo massimo valore se l’intero spot focale,

includendo le code, è piazzato all’interno dell’area di apertura designata di una cella.

Inoltre, dovrebbero essere previsti un alloggio per possibili disallineamenti

nell’assemblaggio e per un futuro inseguitore solare.



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Misure di spot focale per lenti con area di piccola apertura, una cella sonda con un

buco di 0,12 mm in diametro calibrata rispetto alla foto corrente, scansiva un’”immagine

solare”. I risultati per i casi con e senza silicone SL sono mostrati in figura 7.

Rapporti di concentrazione elevati sino a 3200x sono stati misurati per il sistemaPL+SL. Questo valore deve essere preso in considerazione nell’ottimizzazione della

struttura e della griglia di contatto intesa per l’uso con questi sistemi di concentrazione.

I rapporti di concentrazione possono essere aumentati nei sistemi con lenti di Fresnel

di più alta qualità, così come il confronto con i risultati per le lenti con quarzo ideale è

mostrato in figura 5 e 6.

FIGURA 7 – Valutazione dei rapporti di concentrazione attraverso lo spot focale nel

sistema “Fresnel PL con/senza silicone SL”. La lente primaria è 40x40 mm2 in area di

apertura ad una distanza focale di 85mm.

2.2 Dissipatore di calore

L’area di apertura di input (input aperture?) di ciascun sotto modulo è 40x40 mm 2. Un

livello di calore che ci si può aspettare, che deve essere dissipato da una possibile area di

dissipazione, è circa 1 W, corrispondente a una radiazione solare diretta di 85 mW/cm 2, a

una efficienza ottica del sistema a concentrazione dell’85% ed efficienza di conversione



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del 30%. I modelli termici dei sotto moduli sono stati fabbricati simulando il suo naturale

comportamento di temperatura per misure al chiuso.

Le celle AlGaAs/GaAs di 2mm in diametro venivano saldate su lamine dissipatrici

(lamine di rame spesse 0,5mm) con configurazioni corrispondenti a certi frammenti didissipatori in un modulo (corresponding to certain fragments of heat sinks in a module?).

Il riscaldamento sotto illuminazione concentrata del sole veniva simulata passando la

corrente attraverso le celle da un fornitore di potenza. In corrispondenza agli schemi della

figura 3, i frammenti (fragments?) di dissipazione venivano incollati sulle superiori (per la

versione a del sotto modulo) o inferiori (per la versione di moduli b e c) parti di 40x40 mm 2

costituite da lamine di vetro. Condizioni appropriate per la dissipazione del calore venivano

raggiunte tramite l’isolamento termico delle parti superiori delle lamine e necessariamenteil loro posizionamento spaziale (necessary spatial positioning of them?).

Le temperature di sovrariscaldamento delle celle e degli strati di vetro (sulle parti

esterne) venivano misurate rispetto alla temperatura ambiente. I risultati delle misure sono

mostrati in figura 8. Si può vedere da questa figura che il sovrariscaldamento che ci si

aspetterebbe delle celle e degli strati di vetro è abbastanza basso essendo più basso nel

caso di dissipatori a forma di “truogolo” posizionati sulla parte esterna di un modulo.

Certamente, temperature ridotte non solo delle celle ma anche dello strato di base di

vetro dovrebbero essere viste come un fatto positivo se moduli di una dimensione più

grande sono progettati per la fabbricazione. Comunque, qualsiasi differenza di

temperatura tra la parte anteriore e quella posteriore (la base degli strati di vetro) porta a

un certo disallineamento delle lenti e delle corrispondenti celle nei pannelli considerando le

piccole dimensioni delle celle. Fortunatamente un relativo basso valore del coefficiente di

espansione termica per il vetro mitiga questi effetti.

L’esperimento al chiuso citato precedentemente può non riguardare il riscaldamento

dello strato anteriore di vetro con il pannello delle lenti di Fresnel primarie (The mentioned

above indoor experiment could not regard heating the front glass plate with the panel of

primary Fresnel lenses?).

È evidente che un tale riscaldamento dovrebbe avvenire a causa dell’assorbimento

delle radiazioni di lunghezze d’onda più lunghe dello spettro solare. Perciò la differenza di

temperatura tra gli strati di vetro anteriori e posteriori ci si aspetta che sia più bassa

rispetto alle temperature di sovra riscaldamento della figura 8.



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FIGURA 8 – Temperature di sovra riscaldamento (rispetto alla temperatura ambiente)

delle celle e degli strati di vetro (vedi versioni a-c in figura 3) in dipendenza dall’input della

potenza di calore.

2.3. Fabbricazione del modulo

Nella struttura del modulo nella versione c della figura 3 la luce è focalizzata su celle

multi giunzione attraverso uno strato posteriore di vetro (vedi anche figura 9).

FIGURA 9 – Schema della sezione di un modulo.



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Il pannello delle lenti primarie di Fresnel è costituito con un numero di frammenti

identici. Ciascun frammento è un insieme di 6 lenti. Similmente il pannello delle celle è

organizzato con un corrispondente numero di unità identiche dove 6 celle e un diodo di

bypass sono montati in parallelo su un comune paraboloide di rame.I collegamenti sono ottenuti tramite una striscia di contatto o cavi, se viene utilizzato

un cavo di collegamento (Connections are performed by means of a contacting strip, or

wires, if a wire bonder is used?).

Il fondo di questi paraboloidi ha la forma di canale per posizionare del gel di silice che

assorbe l’umidità residua in un volume sigillato. Un modulo di 50x50 cm2 include un

pannello con 144 lenti e 24 paraboloidi montati con celle.

L’accuratezza nel posizionare le celle è di grande importanza perché le celle devonoessere nel centro del punto focale della lente corrispondente. Questa accuratezza deve

essere intorno ai 100 µm, il che può essere realizzato utilizzando processi automatici e

macchine standard dell’industria elettronica. Silicone strutturale è utilizzato durante

l’assemblaggio del modulo per saldare gli strati di vetro anteriore e posteriore insieme con

le pareti di vetro. Il posizionamento dei paraboloidi con le celle montate non è una

procedura elaborata persino quando si usano tecniche di fabbricazione manuale se viene

applicata una speciale sagoma (vedi figura 10 sulla sinistra).

Una saldatura ermetica viene applicata per la sottile massa d’aria all’interno dei

paraboloidi, al contrario l’intero volume d’aria tra gli strati di vetro anteriore e posteriore

dell’involucro è connesso all’atmosfera. Degli speciali tubi vengono utilizzati per escludere

la polvere nel modulo. Questi sono situati in angoli diametralmente opposti di un involucro,

cosicché forniscono un’uscita per l’acqua condensata. Dopo aver attaccato i paraboloidi,

dopo aver connesso elettricamente la stringa della cella e assemblato il modulo, la parte

posteriore del modulo è ricoperta con una sostanza a saldatura ermetica.



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FIGURA 10 – Assemblaggio di moduli concentratori nel laboratorio fotovoltaico (sulla

sinistra) e moduli pronti installati su un inseguitore dell’Istituto Ioffe (sulla destra).

La tecnologia di laboratorio di un insieme di moduli descritta precedentemente è stata

sviluppata utilizzando una giunzione AlGaAs/GaAs a singola giunzione. Le misure

all’esterno per dimostrazioni della potenziale efficienza di conversione sono state eseguite

con moduli per test di dimensioni ridotte equipaggiati con celle a tripla giunzione

GaInP/GaAs/Ge (vedi sotto).

3. Caratterizzazione al chiuso di moduli concentratori

Un argomento di grande interesse è l’equipaggiamento per la caratterizzazione alchiuso e in linea dei moduli concentratori. Lo sviluppo di questi equipaggiamenti sta

diventando importante a causa dello stadio di commercializzazione di un numero di

progetti di concentratori che sta per arrivare.

Le misure di performance fotoelettrica delle celle solari multigiunzione e dei moduli

concentratori con queste celle hanno imposto dei requisiti specifici sull’equipaggiamento di

simulazione solare e metodi rilevanti di testaggio. Per misure accurate al chiuso, devono

essere utilizzate le seguenti procedure ed equipaggiamento:



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• registrare le risposte delle curve spettrali in unità assolute per una cella sotto

un colore a stato stazionario (under steady-state colour ????) e illuminazioni

modulate monocromatiche;

• ottenere le curve I-V illuminate (illuminated?) attraverso un simulatore solarecon spettro variabile: controllare la capacità di lavoro dei diodi tunnel,

studiare le curve I-V per illuminazione non uniforme o con una forte

illuminazione;

• registrare, dopo aver montato le celle in un modulo, la curva I-V sotto

illuminazione di un simulatore solare, riproducendo l’angolo del sole.

Dei tester di flash solare di due differenti tipi, sviluppati al laboratorio pv dello IoffeInstitute, possono essere utilizzati come strumenti per la caratterizzazione delle singole

celle a concentrazione.

Il tester del primo tipo (vedi la figura 11 sulla sinistra) genera una pulsazione di luce

piatta con durata della parte orizzontale di 1,5 ms (a flat light pulse with horizontal part?).

Lo spettro corretto del flash corrisponde a condizioni AM1.5D.

Rapporti di concentrazione fino a C∽7000x vengono raggiunti cambiando la distanza

tra la cella e la lampada in condizioni di illuminazione uniforme della cella.

Inoltre può essere installato un sistema di collimazione della luce, il quale consiste di

un buco nel fronte della lampada e di una lente con diametro di apertura di output di

100mm (vedi figura 12).

In questo caso il tester di flash solare riproduce l’intensità di 1 sole, lo spettro e la

divergenza del fascio. Un effettivo sistema pv “concentratore-cella” può essere

caratterizzato da questo strumento con rispetto alle curve I-V a illuminazione non uniforme

e possibile posizione del modulo off-normal, se le dimensioni del concentratore sono

comprese nell’area di apertura di output del collimatore.

Il tester del secondo tipo include quattro lampade flash, regolate indipendentemente

in intensità e attivate simultaneamente per il flashing (vedi figura 11 sulla destra). Nel

tester solare a quattro lampade, la lampada è equipaggiata con i filtri passabanda di vetro,

che corrispondono a parti specifiche dello spettro, per esempio, agli spettri di sensibilità

delle sotto celle in una cella solare multi giunzione monolitica.

Le lampade possono lavorare anche senza il filtro. Un contorno di intensità della luce

di tipo Gauss è di 1 ms in durata ad un livello di potenza del 50% (Gauss-like light intensity

contour is 1 millisecond in duration at a 50% power level.???). Un tester solare ad alta



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potenza di flash può produrre dei flussi di luce sino a C∽25000x per una distanza di

parecchi centimetri tra le lampade e la cella.

FIGURA 11 – Due tipi di tester flash per la caratterizzazione delle celle individuali a

concentrazione (vedi il testo).

È stato anche sviluppato un circuito spazza-tensione (A voltage-sweeping circuit??)

caratterizzato da resistenza interna bassa sino a 0.01 ohm (principalmente dovuto al

resistore per la misura della corrente) (vedi figura 12).

Il suo modo di operare è basato sul caricare alternativamente un capacitore in un

carico della cella testata da due altri capacitori caricati positivamente e negativamente. Le

grandezze di corrente e tensione sono misurate da un sistema computerizzato. Nel caso

di un tester solare con una pulsazione piatta, l’intera curva I-V può essere misurata

durante una pulsazione. Nel caso di tester a quattro lampade, coppie di valori di tensione

vengono misurati ai massimi livelli di intensità della luce da flash a flash con

approssimatamene una periodicità di 10 sec. Il raffreddamento ad aria delle celle viene

usato per prevenire l’accumulo di calore.



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FIGURA 12 – Principi della collimazione della luce e misura della curva I-V in tester a

flash solare per la caratterizzazione delle celle concentratrici individuali.

Dei livelli di illuminazione molto alti e resistenze molto basse del circuito di misura

possono essere richieste per la caratterizzazione dei diodi tunnel commutando in serie le

sotto celle in una struttura di cella monolitica multi giunzione.

In figura 13 una famiglia di curve I-V viene mostrata per una cella a tripla giunzione

GaInP/GaAs/Ge. La corrente di picco per uno dei due diodi tunnel è rilevata per unrapporto di concentrazione vicino a 2800x, mentre per rilevare la corrente di picco del

secondo diodo tunnel è necessario un rapporto di concentrazione alto sino a 6000x.



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FIGURA 13 – Una famiglia delle curve I-V illuminate per differenti intensità di luce per

una delle celle a tripla giunzione GaInP/GaAs/Ge con area designata di illuminazione di

2.3 in diametro.

La caratterizzazione al chiuso di moduli a concentrazione assemblati è un nuovo

impegno per la comunità pv. Una difficoltà di questo tipo di lavoro consiste nella necessità

di rappresentare tutti i parametri della luce solare: distribuzione spettrale entro un range

ampio di lunghezze d’onda da UV sino a circa 1.7 µm; l’intensità integrale in questo range

corrisponde a quella del sole (integral intensity in this range corresponding to that from the

Sun?); la divergenza angolare dei raggi intorno a 0.5° di arco attraverso l’area di larga

apertura di una sorgente di luce corrispondente all’area del modulo.Il tester solare per moduli a concentrazione è stato sviluppato nel laboratori pv dello

Ioffe Institute utilizzando un flash di lampada xeno e un collimatore con lente di fresnel

50x50 cm2.

Il diagramma ottico e l’immagine di questo tester sono visualizzate in figura 14.

FIGURA 14 – Diagramma ottico e immagine del simulatore solare col flash a larga

area di apertura per misure di curve I-V al chiuso dei moduli a concentrazione assemblati.

Nel diagramma di figura 14, la luce proveniente da un flash di lampada allo xeno

viene diretta da uno specchio verso una lente di Fresnel a larga area. La luce collimata è

incidente su un modulo a concentrazione. Per l’iniziale allineamento del modulo

un’illuminazione continua di esso viene fatta per mezzo di un LED ad alta brillantezza



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attraverso una barra di quarzo di forma particolare e una lampada. Se la superficie frontale

del modulo veniva usata come base durante l’assemblaggio, l’allineamento iniziale viene

raggiunto semplicemente mettendo il modulo su un tester di vetro piatto (?).

La distanza focale della lente e la dimensione di un buco sono in relazione,assicurando la dimensione dell’angolo del sole della luce collimata. Un filtro di vetro,

situato frontalmente alla lampada flash e al buco, corregge lo spettro della luce rispetto

alla relazione tra la parte blu e la parte rossa. Il secondo filtro di tipo spaziale è situato tra

una lente Fresnel e un modulo sotto testaggio. Questo filtro rende uniforme la

distribuzione della luce attraverso l’intera area di apertura del simulatore entro +/- 3%. Una

vista esterna del tester è mostrata in figura 14 sulla destra.

4. Inseguendo il sole

Un’alta accuratezza dell’inseguitore solare è una caratteristica specifica dei metodi pv

ad alta concentrazione. Gli aspetti economici e tecnici, concernenti con la necessità di

assicurare l’allineamento nel sistema “moduli solari” sono tra quelli cruciali, che

determinano il successo in questo campo. I laboratori pv dello Ioffe hanno una certa

esperienza nel progettare gli inseguitori per capacità installate intorno a 1 KWp.L’ultima versione di questo inseguitore è descritto nel paragrafo che segue.

4.1 Struttura meccanica

L’inseguitore è formato da due principali parti in movimento (vedi figura 15): una

piattaforma di base che si muove attorno all’asse verticale, e una piattaforma sospesa che

si muove attorno all’asse orizzontale. La piattaforma di base è equipaggiata con tre ruote,

ciascuna delle quali è connessa con un motore che segue l’azimut.

La posizione della struttura sospesa può variare nel range di +/- 45° simmetricamente

intorno a un piano orizzontale assicurando l’allineamento del modulo in altezza.

I principi più importanti della struttura dell’inseguitore sono i seguenti:

• Ciascun elemento non è più lungo di 2 m;

• Soltanto l’acciaio in un insieme di profili saldati e parti pressate (per lo più

protette con un ricoprimento di zinco) viene utilizzato come materiale

strutturale (at a minimum product range?);



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• Assenza di procedimenti di saldatura per le parti di fabbricazione

dell’inseguitore;

• Possibilità di trasporto in una forma compatta disassemblata (vedi figura 15

sulla destra);• Possibilità di assemblare l’inseguitore da parte di una sola persona;

Due motori di orientamento sono situati in una scatola protettiva assieme a un

circuito elettronico e ad un accumulatore. Le parti del meccanismo di guida orizzontale

nello step finale di orientamento verso il basso sono una ruota di 200mm in diametro (and

ground??).

Una corta barra verticale è fissata sulla base come asse di rotazione. Per l’orientamento verticale, ci sono due ruote a ingranaggio e due guide situati

simmetricamente su entrambi i lati della struttura sospesa. La rotazione continua dei

motori viene effettuata per far ritornare l’inseguitore dalla posizione “tramonto” alla

posizione “alba” e anche per una veloce ricerca del sole durante i periodi nuvolosi.

Durante il normale inseguimento i motori vengono accesi periodicamente dopo un

periodo di 5-8 secondi. L’arrangiamento dei moduli a concentrazione ha la forma di una

scala, in modo da ridurre così il carico del vento sull’inseguitore.

FIGURA 15 – Inseguitore solare con moduli pv a concentrazione per 1 KWp dicapacità installata. Sulla destra le parti dell’inseguitore sono pronte per il trasporto.



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4.2 Sensori solari e scheda elettronica

L’inseguitore è equipaggiato con un sensore principale accurato e un altro

addizionale, entrambi montati su una struttura sospesa e operanti come una parte di un

sistema automatico a ciclo chiuso. Il principale sensore (vedi figura 16) può allineare

l’inseguitore col sole entro 0.05° di arco di accuratezza con angoli di accettanza di +/- 70°

sia nella direzione orizzontale che in quella verticale. Un sensore addizionale rende più

ampio l’angolo di rotazione “est-ovest” (sino a 270°).

Un sistema pv ad alta concentrazione può convertire soltanto la luce diretta del sole.

Per questa ragione in entrambi i sensori vengono utilizzate le celle multi giunzione III-V

come gli elementi sensibili alla luce. In questo caso i sensori preferiscono la luce diretta

del sole essendo essi meno sensibili alla luce diffusa. C’è da notare che questo tipo di

celle generano un più alto voltaggio sufficiente per la polarizzazione ulteriore di LED in

coppie opto elettroniche di LED fototransistori.

Ciò permette di creare un semplice circuito elettronico a controllo finale con basso

consumo di potenza nel regime di “sleeping”. Per aumentare l’accuratezza

dell’inseguimento, il sensore principale include due sotto canali, ciascuno dei quali per i

movimento orizzontale e verticale. Ciascun sotto canale include due celle connesse in un

circuito differenziale. I sensori solari addizionali sono formati da quattro celle. Queste celle

sono localizzate sulle pareti e sulla parete posteriore di uno speciale elemento. L’attività

congiunta di entrambi i sensori può essere considerata riguardante un frammento del

circuito elettronico del sistema di inseguimento mostrato in figura 16.

Per semplicità il sensore principale si suppone che consista soltanto di un canale di

azimut. Degli interruttori commutano le celle di sensori solari addizionali per assicurare la

giusta direzione di rotazione in azimut rispetto alle varie posizioni del sole.



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FIGURA 16 – Un frammento del circuito elettronico del sistema di inseguimento. Ilprincipale sensore nel circuito è supposto che consista solo in un canale di azimut.

Le celle corrispondenti ai sotto canali di più bassa accuratezza sono disposte al di

fuori di un tubo ombreggiante del sensore principale (cerchio punteggiato), mentre quei

canali di più alta accuratezza sono collocati all’interno del tubo. Il tubo di ombreggiamento

limita gli angoli di accettanza delle celle situate all’interno a +/- 1-2°.

Lo sbilanciamento dell’illuminazione genera l’accensione in uno dei transistori otticipolarizzati OT1 o OT2 e commutando un motore azimut in una direzione particolare.

Vicino alla posizione di allineamento, la luce del sole penetra le celle collocate dentro il

tubo di ombreggiamento. Una parte della foto corrente proveniente da queste celle è

utilizzata per attivare il transistore T1, che a sua volta causa la disconnessione di un relè

ottico a stato solido OC1. Da questo momento i segnali delle rotazioni del motore arrivano

soltanto dai sotto canali caratterizzati da una più alta sensibilità e da un angolo di

accettanza ridotto.Il sensore solare combinato (quello principale e quelli addizionali) assicura il

movimento e il veloce allineamento del sistema di inseguimento con il sole sia nella

direzione oraria che in quella antioraria soltanto entro un settore consentito (diretto a sud,

se l’operazione avviene nell’emisfero nord) indipendentemente dalla posizione di partenza.

Il requisito citato sopra concernente il settore consentito è sufficiente per il cablaggio

dell’installazione con il carico esterno. Per lavorare nelle zone equatoriali, dove il percorso

solare sovra passa la posizione dello zenit, un microprocessore inserito dentro con timer efunzione calendario deve essere usato in un sistema di inseguimento al posto del sensore



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solare addizionale descritto sopra. In questo caso il settore consentito per l’inseguitore è

diretto a est essendo leggermente più ampio di 360° di arco.

5. Misurazioni all’aperto dei moduli test “all-glass”

Le capacità operative dei moduli del tipo “all-glass” sono state testate rispetto alla

efficienza totale di conversione fabbricando ed effettuando misure all’aperto di moduli test

di dimensioni ridotte equipaggiati con celle a tripla giunzione GaInP/GaAs/Ge.

Le celle sono state prodotte dalla Spectrolab. In un modulo, descritto sotto, esse

sono caratterizzate da efficienze di conversione intorno al 31,5% (AM1.5d) e da misure

flash all’interno con uniforme distribuzione della luce incidente. Le celle di 2 mm indiametro venivano usate in un modulo con 8 lenti (2x4 lenti) che erano connesse in

parallelo. Un modulo ermeticamente sigillato era installato sul sistema di inseguimento

solare (vedi figura 17).

Dopo la prima caratterizzazione all’esterno con un equipaggiamento di misura I-V

manuale e attraverso un tester automatico per esterno, il modulo era caratterizzato

all’interno attraverso un simulatore solare flash a larga area per comparare i risultati

corrispondenti di misure al chiuso e all’aperto. In figura 18 vengono mostrate lecaratteristiche I-V in condizioni di illuminazione del modulo concentratore. La curva nera è

stata misurata a mezzogiorno del 18 ottobre 2005 e quella rossa è stata ottenuta con

l’utilizzo del simulatore solare menzionato sopra.

Il confronto delle curve dimostra la reale influenza del calore sulle celle in un modulo

in condizioni continue di esterno. Questa differenza nel voltaggio, dovuta alla temperatura,

è abbastanza bassa. Ciononostante è possibile introdurre un fattore di correzione per la

temperatura di 1.02 per il valore efficienza. Per la misura di cui stiamo parlando, il valore diefficienza totale del modulo è stato stimato, a temperatura ambiente delle celle, di essere

sino al 25,3%.



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FIGURA 17 – Modulo a 8 lenti con celle Spectrolab su un sistema di inseguimento

solare.

Deve essere notato che ci sono ovvie possibilità di aumentare l’efficienza dei moduli

del tipo descritto. Uno dei miglioramenti proposti è quello di applicare un rivestimento

antiriflesso (ARC) su un entrambi i lati dello strato posteriore di vetro (vedi figura 9).

Questi lati sono protetti dall’ambiente così che l’ARC lavorerà efficientemente

(effectively?).

Un’altra possibilità sta nell’aumentare la qualità del profilo della lente di Fresnel. Un

terzo miglioramento consiste nell’utilizzare celle più efficienti (sino al 37-38%, vedi capitoli

di questo libro). Come risultato ci si aspettano delle efficienze intorno al 30% nei moduli

sviluppati.



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FIGURA 18 – Curve I-V illuminate del modulo sperimentale a 8 lenti.

6. Conclusioni

Gli strumenti elettronici basati su materiali semiconduttori hanno influenzato così

tante aree dell’attività umana, come la conversione della potenza elettrica (rettificatori,

inverter, ecc…) e la trasmissione e l’elaborazione delle informazioni (comunicazioni radio,

computer, ecc…). Attualmente si osserva un processo di introduzione dei materiali

semiconduttori in due nuovi e molto vasti campi di applicazione: la produzione di energia

elettrica su larga scala da celle solari e la tecnica di illuminazione (LEDS).

Questo processo è stato favorito dal drastico incremento recentemente raggiunto in

efficienza dei corrispondenti materiali per i quali ci si aspetta degli ulteriori miglioramenti

nel prossimo futuro. Per niente accidentale è il fatto che sia le celle solari ad alta efficienza

che i LED ad alta brillantezza abbiamo come base i semiconduttori III-V.

A causa della struttura di banda di energia diretta, questi materiali sono caratterizzati

da un’altra assorbenza per i fotoni di energia in prossimità della banda proibita e da alteprobabilità (che si avvicinano al 100%) di ricombinazione dei portatori minoritari di carica.



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Entrambe queste proprietà e anche la fattibilità di variare ampiamente la banda

proibita, un tipo di banda, il grado di drogaggio del materiale tutto ciò per le eterostrutture

monolitiche permette di creare celle solari multi giunzione che convertono ottimamente la

luce del sole all’interno di selezionate bande spettrali. La natura fisica e la perfezionecristallina dei materiali III-V rendono ragionevole la considerazione del principio di

reversibilità dei processi di conversione fotovoltaica applicati alle celle solari.

In particolare è ipoteticamente possibile ripristinare la radiazione con spettro simile a

quello della luce solare facendo passare una corrente ulteriore attraverso una cella solare

multi giunzione basata su una eterostruttura di materiali semiconduttori. La presenza delle

caratteristiche di reversibilità riflette il fatto della più alta possibile efficienza termodinamica

in un dato processo di conversione di energia.Una “alleanza fisica” delle celle solari III-V e LEDS nel laboratorio pv dello Ioffe

Institute ha permesso di sviluppare una varietà di metodi di luminescenza per investigare,

controllare e possibilmente aumentare i parametri nelle celle individuali e nei moduli solari.

Infatti la prima pubblicazione dove veniva fatto il controllo di qualità di elettro

luminescenza di una giunzione pn e della resistenza dello strato nelle celle solari AlGaAs

è stata dedicata allo studio delle eterostrutture della cella con conversione intermedia della

radiazione solare in luminescenza con l’ulteriore uso di essa per la generazione di

fotocorrente. In un precedente lavoro, che riguardava le celle solari monolitiche con doppia

giunzione AlGaAs/GaAs, l’elettro luminescenza che veniva generata in una giunzione pn

fotoeccitata (wide-gap), veniva identificata come un motivo per l’aumentata fotocorrente in

una sotto cella inferiore. Un po’ più tardi veniva mostrato che è possibile stimare o persino

valutare i principali parametri pv di una cella a diretto band-gap con giunzione pn

(efficienza interna (collection??) dei portatori di carica, voltaggio di circuito aperto,

resistenza dello strato e altri) attraverso metodi senza contatto analizzando soltanto

segnali foto ed elettro luminescenti da una cella wafer sotto foto eccitazione.

Nella metà degli anni ’80 alcuni di questi metodi sono stati applicati alla produzione

industriale degli array solari spaziali con celle solari AlGaAs/GaAs, in particolare, per

l’array della stazione spaziale sovietica MIR.

Tornando ai moduli concentratori con celle III-V e lenti ad area di piccola apertura

(vedi figura 19) deve essere notato che in questo caso esiste non solo una genetica

parentela ma anche una diretta somiglianza nella apparenza di costruzione delle celle

solari a concentrazione e LED. Questa somiglianza è determinata dal valore prossimo



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nelle dimensioni geometriche e anche dai carichi di calore e di voltaggio e corrente in

entrambi i casi.

La somiglianza nei processi di crescita epitassiale (MOCVD) dei materiali così come i

metodi simili di trattamento post crescita e assemblaggio permettono su una basecomplementare di guardare avanti nello sviluppo di un effettivo equipaggiamento per la

produzione di array di semiconduttori per scopi di illuminazione e moduli solari per la

generazione di energia elettrica. Considerando l’immensa scala di questi due mercati ci si

deve aspettare un effetto economico significativo dalla loro interazione.

FIGURA 19 – Evoluzione dei moduli concentratori di celle solari III-V.

I moduli solari pv con concentratori ad area a piccola apertura considerati in questo

capitolo sono compatti, semplici nella struttura e sono caratterizzati da una più bassa

degradazione del materiale in confronto ai precedenti moduli progettati. Questi assicurano

una situazione ideale per la conversione dell’energia solare, quando si provvede a un’alta

concentrazione ottica della luce del sole, però il carattere distribuito della dissipazione del

calore persiste essendo inerente ai moduli fotovoltaici tradizionali senza concentratori.

Ciononostante è possibile che l’approccio all-glass nel progetto del modulo descritto

in questo capitolo verrà modificato in accordo con i requisiti dell’equipaggiamento

industriale il quale verrà utilizzato per la produzione su larga scala di questi moduli.



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FIGURA 20 – I moduli sperimentali con celle a tripla giunzione GaInP/GaAs/Ge e

LEDS AlGaInP, entrambi equipaggiati con lenti di Fresnel con area a piccola apertura e

sotto condizioni ulteriori di (bias??). Somiglianza delle principali caratteristiche favorevole

per la promozione degli array dei LED e dei moduli a concentrazione.

I semiconduttori, la storia dello sviluppo tecnico dei quali è di soltanto 60 anni, hanno

fermamente conquistato tutti i campi delle tecniche di conversione dell’energia elettrica e

dell’elettronica e sono vicini a una penetrazione molto estesa nel campo delle tecniche di

illuminazione (lighting??).

I successi scientifici e tecnologici delle ultime decadi ci permetteno di sperare che

una simile rivoluzione dei semiconduttori possa anche avvenire nel campo della

produzione dell’energia elettrica.

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