Fraunhofer ISE ha raggiunto un’efficienza di conversione record del 68,9% con una cella fotovoltaica sotto luce laser monocromatica.
Oltre alle applicazioni classiche delle celle solari sui tetti e negli spazi aperti, i dispositivi fotovoltaici possono anche essere utilizzati con la luce laser per una trasmissione efficiente dell’energia.
Alla 48esima conferenza degli specialisti del fotovoltaico dell’IEEE, i ricercatori dell’Istituto Fraunhofer ISE hanno recentemente presentato come sono riusciti a raggiungere un’efficienza di conversione record del 68,9% con una cella fotovoltaica sotto luce laser monocromatica. Per questo, il team di ricerca ha utilizzato una cella fotovoltaica molto sottile fatta di arseniuro di gallio e ha applicato uno specchio altamente riflettente e conduttivo sul retro.
Come funziona il “power by light”?
Le celle fotovoltaiche convertono la luce in elettricità. La luce in entrata viene assorbita in una struttura di cella, fatta di materiale semiconduttore arseniuro di gallio, per esempio. La luce assorbita libera delle cariche positive e negative, che vengono a loro volta condotte verso i contatti anteriori e posteriori della cella, generando elettricità. Questo “effetto fotovoltaico” è particolarmente efficiente quando l’energia della luce incidente si trova leggermente al di sopra della cosiddetta energia del bandgap inerente al materiale semiconduttore.
Così, efficienze molto elevate sono teoricamente possibili quando un laser monocromatico come sorgente di luce è abbinato a un materiale composto semiconduttore adatto. In questa nuova forma di trasferimento di energia, chiamata “power by light”, l’energia del laser viene consegnata attraverso l’aria o attraverso una fibra ottica a una cella fotovoltaica le cui proprietà corrispondono alla potenza e alla lunghezza d’onda della luce laser monocromatica.
Rispetto alla trasmissione convenzionale dell’energia tramite fili di rame, i sistemi power by light sono particolarmente vantaggiosi per le applicazioni che richiedono un’alimentazione isolata galvanicamente, protezione dai fulmini o dalle esplosioni, compatibilità elettromagnetica o trasmissione di energia completamente senza fili, per esempio.
Il risultato? Efficienza record del 68,9%
I ricercatori del Fraunhofer ISE hanno raggiunto un’efficienza di conversione record del 68,9% per una cella fotovoltaica a semiconduttore III-V basata sull’arseniuro di gallio esposto alla luce laser di 858 nanometri. Questa è la più alta efficienza raggiunta fino ad oggi per la conversione della luce in elettricità. Questo successo è stato reso possibile da una speciale tecnologia a film sottile in cui gli strati della cella solare sono prima cresciuti su un substrato di arseniuro di gallio che viene poi rimosso. Uno specchio conduttivo e altamente riflettente viene applicato sulla superficie posteriore della struttura semiconduttrice rimanente, che è spessa solo pochi micrometri.
Dr. Henning Helmers, fisico, capo del team di ricerca del Fraunhofer ISE
Questo approccio a film sottile ha due vantaggi distinti per l’efficienza. Prima di tutto, i fotoni sono intrappolati nella cella e l’assorbimento è massimizzato per le energie dei fotoni vicine al band gap, il che minimizza contemporaneamente la termalizzazione e le perdite di trasmissione, rendendo la cella più efficiente. In secondo luogo, i fotoni generati internamente dalla ricombinazione radiativa vengono intrappolati ed efficacemente riciclati. Questo estende la vita effettiva dei portatori, aumentando così ulteriormente la tensione.
Il gruppo di ricerca ha studiato celle fotovoltaiche a film sottile con riflettori a superficie posteriore in oro e una combinazione otticamente ottimizzata di ceramica e argento, con quest’ultima che ha mostrato i migliori risultati. Un’eterostruttura n-GaAs/p-AlGaAs è stata sviluppata come assorbitore, che mostra perdite di portatori di carica particolarmente basse dovute alla ricombinazione.
Prof. Andreas Bett, direttore dell’istituto Fraunhofer ISE
Questo è un risultato impressionante che mostra il potenziale del fotovoltaico per applicazioni industriali al di là della generazione di energia solare.
La trasmissione di potenza ottica ha molteplici applicazioni. Esempi sono il monitoraggio strutturale delle turbine eoliche; il monitoraggio delle linee ad alta tensione, i sensori di carburante nei serbatoi degli aerei, o le reti ottiche passive; l’alimentazione ottica di impianti dall’esterno del corpo; o un’alimentazione wireless per applicazioni nell’Internet of Things.