IT201800005323A1 - Cella fotovoltaica - Google Patents
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Description
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
“CELLA FOTOVOLTAICA”
La presente invenzione è relativa a una cella fotovoltaica. In particolare, la cella fotovoltaica oggetto della presente invenzione trova una preferita applicazione in ambito spaziale a cui la descrizione farà esplicito riferimento senza, per questo, perdere in generalità.
Come è noto ai tecnici del ramo, generalmente la potenza elettrica nella applicazioni spaziali è generata mediante sistemi fotovoltaici.
Ad oggi, il sistema multi pannello dispiegabile di moduli solari fotovoltaici è quello più comunemente utilizzato per applicazioni di media e alta potenza. La sua capacità di adattarsi all’incremento della potenza richiesta (fino a decine di kW), l’alta affidabilità, il peso competitivo ed i bassi costi, portano al successo mondiale ed al continuo sviluppo di questa tecnologia.
Le celle fotovoltaiche a film sottile con assorbitore in Cu(In,Ga)Se2, o brevemente CIGS, presentano numerosi vantaggi per la realizzazione di moduli per uso “non terrestre”. Tra i vantaggi troviamo un valore di banda proibita diretta che si accoppia bene con lo spettro di radiazione AM0, un degrado trascurabile quando è sottoposto a radiazioni sia ionizzanti che non ionizzanti e, infine, una relativa semplicità di processo rispetto alle celle a tripla giunzione basate sui semiconduttori GaInP/InGaAs/Ge. Queste proprietà rendono le celle al CIGS particolarmente attraenti e uniche nel loro genere, e potrebbero essere la soluzione migliore per applicazioni in certe condizioni ambientali ostili, quando c’è disponibilità di spazio e quando la quantità di energia necessaria è elevata.
Nonostante i vantaggi sopra riportati, era comunque sentita l’esigenza di disporre di celle fotovoltaiche a film sottile che presentassero anche un elevato rapporto potenza/peso e che avessero una struttura flessibile.
Oggetto della presente invenzione è una cella fotovoltaica a film sottile, le cui caratteristiche essenziali sono riportate nella rivendicazione 1, e le cui caratteristiche preferite e/o ausiliari sono riportate nelle rivendicazioni 2-5.
Un ulteriore oggetto della presente invenzione è un dispositivo fotovoltaico le cui caratteristiche essenziali sono riportate nella rivendicazione 6, e le cui caratteristiche preferite e/o ausiliari sono riportate nelle rivendicazioni 7-9.
Di seguito sono riportati degli esempi realizzativi a puro titolo illustrativo e non limitativo con l’ausilio delle figure annesse in cui:
- la figura 1 illustra in forma schematica una prima forma di realizzazione della cella fotovoltaica secondo la presente invenzione; e
- la figura 2 illustra in forma schematica un dispositivo fotovoltaico a doppia cella secondo la presente invenzione.
In figura 1 è indicato nel suo complesso con 1 una prima forma di realizzazione della cella fotovoltaica secondo la presente invenzione.
La cella fotovoltaica 1 comprende uno strato di substrato 2 realizzato in titanio su una cui superficie anteriore 2a è stato depositato uno strato di molibdeno 3, la cui funzione è quella di migliorare il contatto posteriore, di realizzare una sorta di strato “barriera” per evitare la migrazione di atomi del substrato nell’assorbitore e di riflettere nell'assorbitore la maggior parte della radiazione luminosa non assorbita. Sullo strato di molibdeno 3 è stato fatto crescere uno strato assorbitore di tipo p 4 realizzato in CIGS mediante tecniche in vuoto. Sullo strato assorbitore 4 è stato poi aggiunto un sottile strato “finestra” 5 di tipo n realizzato in CdS (solfuro di cadmio). Lo strato finestra 5 è ricoperto da uno strato trasparente di ossido conduttivo (TCO) 6, composto da un sottile strato di ZnO (ossido di zinco) sormontato da uno strato più spesso di ZnO drogato con Al.
Il contatto elettrico 7 del polo negativo è stato eseguito mediante serigrafia convenzionale. In alternativa, il contatto elettrico 7 del polo negativo può essere realizzato tramite evaporazione sotto vuoto oppure per via galvanica.
La cella fotovoltaica 1 comprende uno strato antiriflesso 8 disposto a copertura dello strato trasparente di ossido conduttivo 6 e da cui fuoriescono gli elementi del contatto elettrico 7 che a loro volta sono a contatto con lo stesso strato trasparente di ossido conduttivo 6.
Lo strato substrato 2 in titanio ha uno spessore compreso tra 20 e 50 µm e una rugosità compresa tra 20 e 30 nm.
L’utilizzo del titanio nello strato substrato 2 permette la produzione di una cella fotovoltaica flessibile, con un rapporto potenza/peso maggiore di 1000 W/Kg e con un’efficienza di conversione maggiore del 15%.
Il contatto elettrico del polo positivo viene realizzato mediante lo strato di titanio 2 e lo strato di molibdeno 3.
La protezione della cella può essere realizzata mediante una deposizione sotto vuoto di Parylene del tipo C, D o F-AF4 a seconda del tipo di applicazione a cui la cella fotovoltaica è destinata.
In figura 2 è indicato nel suo complesso con 11 un dispositivo fotovoltaico a doppia cella quale ulteriore oggetto della presente invenzione.
Il dispositivo fotovoltaico 11 consiste sostanzialmente in una doppia riproduzione sulle due facce opposte del substrato 2 della cella 1 sopra descritta.
In altre parole, il dispositivo fotovoltaico 11 comprende due celle fotovoltaiche a film sottile, una cella fotovoltaica superiore 11a e una cella fotovoltaica inferiore 11b, uguali tra loro e sviluppantisi sulle facce opposte di un unico substrato 2 realizzato in titanio.
Le parti della cella fotovoltaica 11a uguali alle parti della cella 1 sopra descritta saranno indicate con la medesima numerazione e non saranno nuovamente descritte.
Il dispositivo fotovoltaico 11 comprende uno strato di substrato 2 in titanio su una cui superficie anteriore 2a si sviluppa la pluralità di strati della cella 1. Sulla superficie posteriore 2b dello strato di substrato 2 si sviluppa la stessa pluralità di strati della cella fotovoltaica 11a e, quindi, uno strato di molibdeno 13, uno strato assorbitore di tipo p 14 realizzato in CIGS, un sottile strato “finestra” 15 di tipo n realizzato in CdS (solfuro di cadmio) e uno strato trasparente di ossido conduttivo (TCO) 16 composto da un sottile strato di ZnO (ossido di zinco) sormontato da uno strato più spesso di ZnO drogato con Al.
Anche per la cella fotovoltaica 11b, il contatto elettrico 7 del polo positivo è stato eseguito mediante serigrafia convenzionale oppure tramite evaporazione sotto vuoto, oppure per via galvanica.
Infine, la cella fotovoltaica 11b comprende uno strato antiriflesso 18 disposto a copertura dello strato trasparente di ossido conduttivo 16 e da cui fuoriescono gli elementi del contatto elettrico 17 che a loro volta sono a contatto con lo stesso strato trasparente di ossido conduttivo 16.
Anche nel dispositivo fotovoltaico 11 lo strato substrato 2 in titanio ha uno spessore compreso tra 20 e 50 µm e una rugosità compresa tra 20 e 30 nm.
Come sopra descritto per la cella fotovoltaica 1, anche il dispositivo fotovoltaico 11 può comprendere una protezione realizzata mediante una deposizione sotto vuoto di Parylene del tipo C, D o F-AF4 a seconda del tipo di applicazione a cui la cella fotovoltaica è destinata.
Il dispositivo fotovoltaico 11, oltre a garantire gli stessi vantaggi della cella fotovoltaica 1 relativi alla flessibilità e all’elevato rapporto potenza/peso, offre il grande vantaggio di produrre energia elettrica indipendentemente dall’orientamento che assume. Infatti, la radiazione solare può essere raccolta in maniera efficace da entrambe le facce del dispositivo fotovoltaico 11, il che significa che qualora una delle facce sia in ombra, la corrente verrà comunque prodotta per azione della radiazione solare che impatta sull’altra faccia.
Il dispositivo fotovoltaico 11 secondo la presente invenzione, oltre a trovare applicazione in ambito spaziale può risultare estremamente vantaggiosa nel settore delle imbarcazione. Infatti tali dispositivi possono essere inglobati nelle vele e organizzati in moduli.
Relativamente al peso, è importante sottolineare che il passaggio dalla cella fotovoltaica 1 al dispositivo fotovoltaico 11 comporta un aumento in peso pari solo al 5%.
Claims (9)
1. Cella fotovoltaica (1) comprendente uno strato di substrato (2), uno strato di molibdeno (3) depositato su di una superficie anteriore (2a) dello strato di substrato (2), uno strato assorbitore di tipo p (4) depositato sullo strato di molibdeno (3), uno strato di tipo n (5) depositato sullo strato assorbitore di tipo p (4), uno strato trasparente di ossido conduttivo (6) disposto a ricopertura strato di tipo n (5) e un contatto elettrico (7) disposto a contatto con strato trasparente di ossido conduttivo (6); detta cella fotovoltaica essendo caratterizzata dal fatto che detto strato di substrato (2) è realizzato in titanio.
2. Cella fotovoltaica secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto strato di substrato (2) ha uno spessore compreso tra 20 e 50 µm e una rugosità compresa tra 20 e 30 nm.
3. Cella fotovoltaica secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzata dal fatto che detto strato assorbitore di tipo p (4) è realizzato in CIGS mediante tecniche in vuoto.
4. Cella fotovoltaica secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto strato di tipo n (5) è realizzato in CdS.
5. Cella fotovoltaica secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto strato trasparente di ossido conduttivo (6) è composto da un sottile strato di ZnO sormontato da uno strato più spesso di ZnO drogato con Al.
6. Dispositivo fotovoltaico (11) comprendente una cella fotovoltaica (1) secondo una delle rivendicazioni precedenti; detto dispositivo fotovoltaico essendo caratterizzato dal fatto di comprendere uno strato di molibdeno (3) depositato su di una superficie posteriore (2b) dello strato di substrato (2), uno strato assorbitore di tipo p (14) depositato sullo strato di molibdeno (13), uno strato di tipo n (15) depositato sullo strato assorbitore di tipo p (14), uno strato trasparente di ossido conduttivo (16) disposto a ricopertura strato di tipo n (15) e un contatto elettrico (17) disposto a contatto con strato trasparente di ossido conduttivo (16).
7. Dispositivo fotovoltaico secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detto strato assorbitore di tipo p (14) è realizzato in CIGS mediante tecniche in vuoto.
8. Dispositivo fotovoltaico secondo la rivendicazione 6 o 7, caratterizzato dal fatto che detto strato di tipo n (15) è realizzato in CdS.
9. Dispositivo fotovoltaico secondo una delle rivendicazioni da 6 a 8, caratterizzato dal fatto che detto strato trasparente di ossido conduttivo (16) è composto da un sottile strato di ZnO sormontato da uno strato più spesso di ZnO drogato con Al.
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