Le onde sonore potrebbero svolgere un ruolo nel rendere le celle solari III-V più convenienti per le applicazioni legate alla terra, secondo una ricerca recentemente pubblicata condotta dagli scienziati del National Renewable Energy Laboratory (NREL) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.
Un campione di una cella solare all’arseniuro di gallio. Foto di Dennis Schroeder, NREL.
I ricercatori affermano che l’applicazione delle onde sonore, utilizzate in un nuovo processo chiamato scheggiatura acustica, ha il potenziale per ridurre significativamente i costi nella produzione di questi tipi di celle solari altamente efficienti.
Le celle solari III-V sono chiamate così perché sono cresciute utilizzando elementi dei gruppi III e V della tavola periodica. Sebbene le celle solari III-V siano altamente efficienti, il loro costo ne ha limitato l’uso alle applicazioni spaziali come l’alimentazione dei satelliti. La riduzione dei costi di produzione è considerata fondamentale per le applicazioni terrestri e un modo per ottenere questo risultato è avere la possibilità di riutilizzare ripetutamente il substrato su cui vengono coltivate le cellule.
“Questo è super promettente per il riutilizzo del substrato”, ha affermato Kevin Schulte, uno scienziato del gruppo fotovoltaico cristallino ad alta efficienza del NREL e autore principale dell’articolo della rivista che descrive in dettaglio il successo della scheggiatura acustica. “Questo da solo non renderà le celle solari III-V convenienti, ma come parte di questo portafoglio di ricerca, stiamo cercando di affrontare i costi da più angolazioni diverse”.
L’articolo “Celle solari GaAs cresciute su substrati scheggiati acusticamente con un’efficienza del 27%” appare sulla rivista Joule.
La tecnologia esistente utilizza uno strato di attacco sacrificale, che consente di sollevare una cella da un substrato di arseniuro di gallio (GaAs) in modo che il substrato possa essere riutilizzato, ma il processo richiede ore e lascia un residuo che richiede una fase di lucidatura. La lucidatura è relativamente costosa e limita i potenziali risparmi sui costi di questo metodo di riutilizzo del substrato. Al contrario, la scheggiatura richiede pochi secondi, creando una frattura controllata all’interno del substrato quasi parallela alla sua superficie. Questa frattura consente di rimuovere facilmente la cella, rivelando una nuova superficie priva di contaminanti dall’interno del substrato che non richiede lucidatura.
La scheggiatura di strati di GaAs standard crea sfaccettature relativamente grandi sul substrato che consumano materiale extra e possono richiedere la planarizzazione (tramite lucidatura o altri metodi) prima che il substrato possa essere riutilizzato. Quest’ultimo progresso utilizza la scheggiatura acustica, o onde sonore, per controllare la frattura, sopprimere la formazione di sfaccettature e migliorare la planarità del substrato.
“La superficie è meno ondulata”, ha detto Schulte, “quindi quando si coltiva un nuovo dispositivo su di essa, è possibile ottenere un’elevata efficienza con una riparazione della superficie relativamente minima, o potenzialmente nulla”.
La scheggiatura acustica è stata sviluppata presso l’Arizona State University; la tecnologia viene commercializzata da una società di Phoenix chiamata Crystal Sonic Inc. Due dei ricercatori della società sono coautori del Joule articolo. Altri coautori sono Steve Johnston, Jacob Boyer, Anica Neumann, William McMahon, Michelle Young, Emily Warren e Myles Steiner, tutti di NREL; e Anna Braun della Colorado School of Mines.
Sono necessarie ulteriori ricerche per determinare quante volte il substrato può essere riutilizzato dopo essere stato sottoposto a scheggiatura acustica, che Crystal Sonic chiama Sonic Lift-Off. I ricercatori sono stati in grado di realizzare una cella su un substrato precedentemente scheggiato con un’efficienza certificata NREL del 26,9%.
“Non credo ci sia alcuna differenza in queste prestazioni rispetto all’efficienza che potremmo ottenere su un substrato nuovo di zecca”, ha affermato Schulte.
L’ufficio per le tecnologie per l’energia solare del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha finanziato la ricerca.
NREL è il principale laboratorio nazionale del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti per la ricerca e lo sviluppo di energie rinnovabili ed efficienza energetica. NREL è gestito per DOE dall’Alliance for Sustainable Energy LLC.
Articolo da NRELdi Wayne Hicks.
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