Celle solari ad alta efficienza in GaAs per applicazioni spaziali

Capitolo 1
Introduzione alle Celle Solari
Le celle solari, attualmente, sono una delle piu` importanti risorse per
l’energia moderna di cui la tecnologia dispone. Gli usi in ambito civile non
sono piu` modesti come qualche anno fa e la crisi del petrolio non fa che ac-
crescere la domanda di nuovi utilizzi di tali dispositivi. In ambito spaziale
le celle solari sono l’unica fonte di energia disponibile per missioni di durata
medio-lunga. Satelliti, stazioni spaziali moderne, navicelle spaziali sono solo
alcuni esempi pratici di come le celle solari ed i pannelli fotovoltaici possono
essere utilizzati. Ulteriori studi avanzati sono in corso presso i maggiori isti-
tuti di ricerca spaziale ed energetica in materia di Centrali solari orbitanti.
Sostanzialmente si tratta di un ambizioso progetto che prevede la creazione
di energia tramite celle solari nello spazio e la successiva trasmissione, via
microonde, di tale energia. Successivamente verra` data una descrizione di
tale progetto in modo piu` dettagliato. Possiamo quindi capire l’assoluta im-
portanza degli studi concentrati su questo tipo di dispositivi. Lo studio fisico
del dispositivo non puo` che concentrarsi sullo studio dei materiali che lo com-
pongono e su come migliorare l’efficienza di conversione mediante l’utilizzo
di nuove ed innovative tecnologie.
1.1 Storia delle celle solari
I primi dispositivi basati sul silicio si possono osservare gia` nei primi anni
’40, ma e` nella primavera del 1953 che, studiando il silicio e le sue possi-
9
bili applicazioni nell’elettronica, Gerald Pearson, fisico presso i laboratori
Bell, costru`ı involontariamente una cella solare al silicio molto piu`efficiente
di quella a selenio. Altri due scienziati della Bell, Darryl Chapin e Calvin
Fuller, perfezionarono la scoperta di Pearson e realizzarono la prima cella
in grado di convertire in elettricita` abbastanza energia solare per alimentare
dispositivi elettrici di uso quotidiano: il primo giorno di sole del 1954 la cella
al silicio funzionava con un rendimento del 6%. Negli anni ’60 si comincio`a
pensare di produrre ‘nastri e fogli’ di silicio, per cercare di risolvere il prob-
lema degli ingenti sprechi di materiale dovuti al taglio dei lingotti. Ancora
negli anni ’60 Shurland propose l’utilizzo del solfuro di cadmio, e nel ’67 era
pronta la prima cella a solfuro di cadmio depositato su plastica. Negli anni
’70 cominciarono ad essere sviluppate, nell’ambito delle applicazioni spaziali,
celle all’Arseniuro di Gallio (GaAs), le quali presero definitivamente piede
nell’ultimo decennio del secolo[1]. Vennero sviluppati procedimenti per pro-
durre silicio policristallino, meno costosi e meno dispendiosi di quelli per il
monocristallino. Dopo la crisi petrolifera del ’73 Carson ottenne per caso
una pellicola sottile di silicio amorfo idrogenato che, nel ’76, raggiunse il
rendimento del 5,5 %. In quegli anni il DOE PV Research and Development
Programme sperimentava pellicole sottili al silicio cristallino, e tutta una
gamma di nuovi materiali: CIS, CdTe, InP, Zn
3
P
2
, Cu
2
Se, WSe
2
, GaAs,
ZnSiAs.
`
E interessante notare che l’utilizzo di pellicole sottili era gia` stato
proposto dallo stesso Chapin, all’epoca delle sue prime scoperte. Nei primi
anni ’80 Barnett, per conto della SERI, si interesso` al telluro di cadmio e
alle pellicole di silicio policristallino, fondando la societa` ‘AstroPower’, oggi
ben nota. Sempre nei primi anni ’80, Martin Green, lavorando alla tecnolo-
gia del silicio, sostitu`ı la serigrafia con solchi in rame realizzati con il laser.
Nel 1988 i fogli di silicio venivano ricavati da poligoni ottagonali, miglioran-
do il rendimento del processo e diminuendone la fragilita`. Nel 1997 veniva
‘lanciata’ la prima cella a giunzione tripla al silicio amorfo[2]. I ricercatori
del FV hanno avuto un ruolo chiave nella scoperta di nuovi materiali semi-
conduttori e strutture ibride, e diedero importanti contributi alle tecniche
di crescita epitassiale e di crescita delle pellicole lattice-matched: una delle
prime applicazioni delle strutture ibride a semiconduttore sul GaAs e le giun-
zioni III-V, sviluppate originariamente per i campi FV a concentrazione. In
10
’50 anni di ricerche sul fotovoltaico, mentre questo beneficiava dell’esplosione
della tecnologia microelettronica del silicio, venivano prodotte nel contempo
nuove conoscenze a beneficio di quella stessa industria elettronica con cui era
intimamente legato.
Le prime applicazioni: L’Aeronautica e l’Esercito statunitensi seguirono mo-
lto da vicino lo sviluppo della cella solare al silicio presso i laboratori Bell.
Entrambi ritenevano che il fotovoltaico potesse costituire la fonte energetica
ideale per un progetto top-secret: i satelliti artificiali orbitanti attorno alla
Terra. Grazie a un’assidua crociata condotta da Hans Ziegler, del corpo del
Genio Trasmissioni dell’esercito statunitense, la Marina Militare installo`sui
satelliti un sistema energetico a due sorgenti (batterie chimiche e celle solari
al silicio) sul satellite Vanguard; mentre le batterie si esaurirono dopo una
settimana circa, le celle solari funzionarono per anni. Gia` dalla fine degli
anni ’50 il fotovoltaico forniva elettricita` ai satelliti americani e sovietici. Gli
ingegneri del solare progettarono moduli sempre piu` potenti, mentre il nu-
cleare non raggiunse mai le aspettative nutrite per i satelliti spaziali. Alla
fine degli anni ’70 le celle solari erano ormai diventate fonte energetica abi-
tuale per i satelliti artificiali, e cos`ıe` ancora oggi. La tecnologia era invece
troppo costosa per gli usi terrestri, e lo rimase fino ai primi anni Settanta,
quando Elliot Berman, sostenuto finanziariamente dalla Exxon, progetto`un
modulo solare notevolmente piu` economico. Il primo acquirente importante
di celle solari per uso terrestre fu l’industria petrolifera, che se ne serv`ıin
luoghi non serviti dalle linee elettriche: pannelli fotovoltaici vennero usati al
posto di batterie tossiche (ingombranti e dalla vita breve) per alimentare le
luci di segnalazioni sulle piattaforme petrolifere del Golfo del Messico e nei
campi di estrazione del petrolio e del metano, dove servono piccole quantita`
di elettricita` per combattere la corrosione delle teste dei pozzi e dei condotti.
Nel 1974 Johh Oades, ingegnere presso una controllata della GTE, progetto`
un ripetitore a bassissima potenza per il quale era sufficiente l’energia foto-
voltaica. Cos`ınoncifupi`u il problema di trasportare carburante o batterie
nelle impervie zone montane dove venivano installati i ripetitori, e nelle pic-
cole comunita` del West [2]degli Stati Uniti i residenti smisero di percorrere
grandi distanze per poter effettuare una telefonata interurbana. L’Australia,
11
con una popolazione relativamente piccola distribuita su un territorio mol-
to ampio, comincio` a installare reti di comunicazione a energia fotovoltaica
gia` nel 1978. Alla meta` degli anni 80 le celle solari erano diventate la fonte
energetica di elezione per le reti remote di telecomunicazioni in tutto il mon-
do. Nel 1977 il Capitano Lloyd Lomer, della Guardia Costiera statunitense,
diede il via ad un programma fotovoltaico per alimentare le boe isolate e i
fari costieri. Oggi la maggior parte degli ausili per la navigazione in tutto il
mondo funziona a celle solari. Verso la meta` degli anni ’70 molte compagnie
ferroviarie ricorsero al fotovoltaico per alimentare i dispositivi di segnalazione
e di smistamento necessari per la sicurezza del traffico ferroviario funzionan-
ti grazie ai sistemi di comunicazione a microonde. Le comunicazioni fra le
stazioni ferroviarie poterono fare a meno dei pali e dei cavi telefonici lungo i
binari. Quando, sempre negli anni ’70, la grande siccita`colp`ı la regione del
Sahel in Africa, padre Bernard Verspieren avvio` un programma di pompaggio
fotovoltaico per attingere acqua dalle falde acquifere che fa ormai da modello
per il mondo in via di sviluppo. A quei tempi, in tutto il mondo c’erano meno
di dieci pompe fotovoltaiche; oggi ce ne sono decine di migliaia. Negli anni
’80 l’ingegnere svizzero Markus Real dimostro` la validita` della generazione
distribuita installando moduli solari da tre kilowatt su 333 tetti di Zurigo.
Da allora nessuno parla piu` di centrali elettriche fotovoltaiche, e i vari gov-
erni stanno sviluppando piani di incentivazione finanziaria per incoraggiare
i cittadini a solarizzare i propri tetti. Poiche´ il costo dell’installazione delle
linee di trasmissione elettrica e` estremamente elevato, oltre due miliardi di
persone nei paesi in via di sviluppo sono ancora prive di elettricita` di rete.
Intanto, pero`, in meta` delle famiglie delle isole della Polinesia francese, nelle
zone rurali del Kenya, nella Repubblica Dominicana e nel Centroamerica,
migliaia di persone alimentano lampadine, televisori e radio con l’elettricita`
solare. L’affidabilita` e la versatilita` del fotovoltaico in ambiente spaziale e
terrestre hanno impressionato molti addetti ai lavori nell’industria elettrica
e delle telecomunicazioni. Oggi la Banca Mondiale e molti organismi inter-
nazionali ritengono che le celle solari ‘abbiano un ruolo importante e sempre
crescente nella fornitura di servizi elettrici nelle aree rurali dei paesi in via di
sviluppo’.
12
Le applicazioni spaziali: Sin dal principio le applicazione spaziali hanno cos-
tituito il campo d’avanguardia della progettazione delle celle solari. Accanto
alle celle a combustibile sono ad oggi l’unica fonte di energia che le missioni
spaziali possono contare di avere. Hanno permesso, e permettono, il lancio
di svariati satelliti in orbita intorno alla terra per diverse applicazioni (tele-
comunicazioni, esperimenti scientifici, stazioni spaziali orbitanti). Unico vero
problema per tale campo e` sempre stato quello di ottimizzare i materiali per
permettere alla cella di sopravvivere ed avere un tempo di vita ragionevole
con condizioni al contorno molto piu` proibitive di quelle terrestri[1]. Dopo
anni di ricerche intense la scienza dei materiali forn`ı alcune risposte indicando
nell’adozione dei materiali semiconduttori del gruppo III-V una delle possi-
bili soluzioni. Materiali come il GaAs, GaP avevano le necessarie proprieta`
che tale campo richiedeva nonostante gli elevati svantaggi nel confronto di-
retto con il Silicio che, nel frattempo, si attestava come unico materiale per
la microelettronica moderna. In particolare per il GaAs si possono mettere
in evidenza due tra i piu` importanti fattori che ne determinano la scelta: la
sostanziale immunita` alle radiazioni solari e le condizioni operative robuste
alle variazioni di temperatura (-200
◦
C 200
◦
C). Con questo tipo di disposi-
tivi il ventaglio delle possibilita` in termini di missioni spaziali si e` allargato
notevolmente. E’ possibile, oggi, pensare a delle celle solari in grado di re-
sistere alle proibitive condizioni del Pianeta Marte e di indicare delle soluzioni
efficienti in materia; si puo` pensare, in modo realistico, allo sviluppo di una
centrale orbitante fatta di pannelli solari in grado di trasmettere a terra un
segnale contentente l’energia ricavata dai raggi solari nello spazio (vedi figu-
ra 1.1). E’ possibile pensare a celle solari ultraleggere con una efficienza
Figura 1.1: Raffigurazione artistica di una centrale solare orbitale [20]
13
elevatissima (anche il 40%) che permettano l’utilizzo, anche nello spazio, di
sistemi sofisticati che richiedono molta potenza elettrica per il loro normale
funzionamento. Le nuove frontiere vedono materiali sempre piu` sofisticati e
flessibili, con uno spessore assoluto ridotto al minimo per ridurre gli ingombri
ed evitare un grosso carico durante i lanci.
1.2 Fisica di base dei Semiconduttori
La cella solare di base e`, sostanzialmente, una giunzione p-n (nel caso piu`
semplice) costituita da materiali semiconduttori. Per analizzare a fondo il
dispositivo cella solare e`, dunque, fondamentale conoscere e descrivere le basi
della fisica dei semiconduttori.
1.2.1 Classificazione dei materiali
I materiali si possono suddividere in tre grandi categorie:
• conduttori
• isolanti (o dielettrici)
• semiconduttori che, a loro volta, si suddividono in:
-elementari(Si, Ge)
-composti(GaAs, InP, SiC, CdTe)
La conduzione elettrica nei semiconduttori corrisponde al moto di cariche
libere nel materiale, accelerate da campi elettrici esterni. Le cariche in gioco
possono essere di due tipi:
• elettroni (q = −1.6 ∗ 10
−19
C)
• lacune (q = +1.6 ∗ 10
−19
C)
14
(a) Formazione di Bande energetiche (b) Banda di conduzione e banda di
valenza
Figura 1.2: Bande energetiche [21]
1.2.2 Teoria delle Bande di Energia
Il comportamento degli elettroni nel reticolo cristallino di un materiale e`
descritto in modo efficace mediante la teoria delle bande di energia permesse.
In un cristallo i livelli energetici degli elettroni degli strati piu` interni non ven-
gono apprezzabilmente alterati, mentre i livelli degli elettroni degli strati pi u`
esterni cambiano considerevolmente a causa delle interazioni fra gli elettroni
esterni dei singoli atomi che vengono a contatto. Quando gli atomi isolati
si avvicinano per formare un cristallo, i livelli energetici degli elettroni piu`
esterni si modificano fino a costituire una banda energetica, cioe`unnumero
elevato di livelli energetici discreti ma molto ravvicinati fra loro. La situ-
azione viene illustrata graficamente dalla figura 1.2a. Nel cristallo si forma
una banda energetica completamente occupata da elettroni, detta banda di
valenza (BV), una banda di ampiezza Energy-Gap (EG) in cui non si hanno
livelli di energia consentiti, e una banda di energia permessa, ma completa-
mente vuota, detta banda di conduzione (BC). Il tutto viene schematizzato
graficamente nella figura 3.1. Il comportamento degli elettroni nel passaggio
fra le varie bande e` rappresentato dal modello di Shockley:
15
• per a<a
0
eT=0K,laBCe` completamente vuota e tutti gli elettroni
esterni occupano completamente la BV; in questo caso la conduzione
elettrica non e` possibile, anche se in presenza di campo elettrico esterno.
• per T > 0 K in presenza di un campo elettrico esterno, alcuni elettroni
possono ‘saltare’ nella BC, quindi la conduzione elettrica diviene pos-
sibile. Il salto da BV a BC e` ostacolato dalla banda proibita (BP) e la
transizione e`tantopi`u favorita, quanto piu` l’ampiezza EG della BP e`
ridotta.
Come si puo` vedere nella figura 1.3, in un isolante cristallino la BP e` di parec-
chi eV (elettronVolt) e gli elettroni della BV completamente occupata non
possono ricevere da un campo elettrico esterno l’energia sufficiente per saltare
nella BC completamente vuota. In un metallo la struttura presenta un’unica
banda occupata solo in parte. Tale banda e` dovuta alla sovrapposizione della
BV con la BC. Un campo elettrico esterno fornisce agli elettroni energia per
spostarsi verso livelli piu` elevati, generando una corrente. Nei semiconduttori
la BP e` relativamente piccola, intorno ad 1 eV. I materiali semiconduttori
di maggiore importanza sono il germanio (Ge) ed il silicio (Si) ed alla tem-
peratura di 0 K presentano per EG rispettivamente i valori di 0.785 e 1.21
eV. Queste energie non possono essere fornite da un campo elettrico ester-
no, quindi a bassa temperatura questi materiali si comportano come isolanti.
Al crescere della temperatura alcuni elettroni di valenza acquistano energia
termica superiore ad EG e saltano nella BC. In questa banda si hanno cos`ı
degli elettroni che si possono muovere liberamente sotto l’azione di un campo
elettrico esterno. L’assenza di un elettrone nella BV e` chiamato lacuna (come
meglio specificato di seguito). Una lacuna rappresenta quindi un portatore
di carica (positiva) confrontabile con un elettrone libero.
1.2.3 Semiconduttori Intrinseci ed Estrinseci
Elettroni e Lacune: Nella figura 1.5a e` schematizzata la situazione del reti-
colo cristallino alla temperatura dello zero assoluto: tutti gli elettroni di
valenza risultano stabilmente impegnati nei rispettivi legami; non esistono
elettroni liberi all’interno del reticolo e quindi il cristallo e`unisolanteperfet-
to. La situazione cambia per temperature diverse dallo zero assoluto: ogni
16
Figura 1.3: Bande di energia in un isolante, semiconduttore ed un cristallo
[21]
elettrone ha una probabilita` piccola ma finita di uscire dalla buca di poten-
ziale corrispondente al legame covalente e trovarsi nel reticolo, disponibile
come elettrone di conduzione (Figura 1.5b). Per ogni elettrone che abban-
dona il proprio legame covalente si formano due cariche libere: una carica
negativa (l’elettrone) ed una positiva (la lacuna, cioe` la carica positiva rimasta
scoperta nel reticolo a seguito dell’allontanamento dell’elettrone). Le lacune
sono portatori di carica a tutti gli effetti e danno un contributo al trasporto
di carica indipendente da quello degli elettroni di conduzione. In realta`sono
sempre gli elettroni che si muovono, ma poiche` si tratta di elettroni di valenza
questo meccanismo fornisce un movimento di carica indipendente da quello
degli elettroni di conduzione. Lacune ed elettroni si generano continuamente
a coppie in seguito alla rottura di legami covalenti per effetto della agitazione
termica e scompaiono a coppie, quando una lacuna ed un elettrone si ricom-
binano a riformare un legame covalente. Di conseguenza nel semiconduttore
intrinseco (cioe` non drogato, come si vedra`pi`u avanti) la concentrazione delle
lacune (p) sara` sempre eguale a quella degli elettroni (n). Il valore n
i
di p
ed n, detto concentrazione intrinseca, e` determinato dall’equilibrio dinamico
tra generazione e ricombinazione e dipende dalle caratteristiche del materiale
semiconduttore e dalla temperatura T[18]:
n
2
i
= n
2
= p
2
= BT
3
e
E
g
/kT
(1.1)
dove E
g
e` l’energia di rottura di un legame covalente, k la costante di
Boltzmann e B una costante caratteristica del materiale. La concentrazione
intrinseca n
i
aumenta rapidamente con la temperatura e questo aumento
e` la causa della forte diminuzione della resistivita` dei semiconduttori con
17
Figura 1.4: Strutture a bande energetiche per il Si (in alto) e GaAs (in basso)
[16]
il riscaldamento (a differenza dei metalli, la cui resistivita`cresceconla
temperatura).
Gap diretto e indiretto: La struttura a bande energetiche di un semicondut-
tore deriva dal legame tra l’energia e il momento di un portatore, che dipende
non solo dalla struttura del cristallo, ma anche dal legame tra gli atomi. Dalla
figura 1.4 si nota che la banda di valenza presenta un massimo in corrispon-
denza del punto Γ (k = 0), che rappresenta il centro della zona di Brillouin.
In generale E(k)
1
(cioe` l’energia in funzione del momento cristallino dell’elet-
trone) presenta dei massimi o dei minimi nella zona centrale di Brillouin e dei
punti di simmetria che si ripetono periodicamente alle estremita` della banda,
1
Le bande di energia sono funzione dell’ampiezza del momento cristallino dell
ˇ
Selettrone
e della sua direzione cristallografica: l’introduzione di questa grandezza vettoriale deriva
dal fatto che agli elettroni puo` essere associata una descrizione in termini di onde, per cui
l’interazione con una struttura periodica come il reticolo cristallino puo` essere descritta
come un fenomeno di diffrazione ottica. Per questo un elettrone libero, che interagisca con
il reticolo, e` rappresentato da un’onda piana con vettore d’onda k =2pi
lambdai,chee` appunto il momento cristallino dell’elettrone
18