IT201800007921A1 - Dispositivo per lo splittamento spettrale, la misura e la conversione fotovoltaica di una radiazione. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione avente per titolo:

"DISPOSITIVO PER LO SPLITTAMENTO SPETTRALE, LA MISURA E LA CONVERSIONE FOTOVOLTAICA DI UNA RADIAZIONE"

La presente invenzione è relativa ad un dispositivo per lo splittamento spettrale, la misura e la conversione fotovoltaica di una radiazione.

In particolare, la presente invenzione si riferisce ai dispositivi e ai metodi impiegati nel campo del solare fotovoltaico (FV) a concentrazione che sono finalizzati al superamento dei limiti imposti dalla termodinamica all'efficienza di conversione di un ricevitore fotovoltaico, o cella solare, a singola giunzione, attraverso l'uso di tecniche di splittamento spettrale della radiazione solare. Tali tecniche sono oggi largamente impiegate nei sistemi fotovoltaici a concentrazione operanti con celle a multigiunzione (tipicamente fino a tre), ma il costo di tali celle e la presenza di importanti criticità operative di tali sistemi hanno stimolato lo sviluppo di approcci alternativi, in particolare quello dello splittamento spettrale di tipo parallelo, cui fa parte la presente invenzione.

Uno degli scopi della presente invenzione, quindi, è presentare un ricevitore fotovoltaico (1) da impiegare in un sistema fotovoltaico a concentrazione, operante in condizioni di splittamento spettrale di tipo parallelo e caratterizzato dal fatto di evitare la principale criticità di questa configurazione, ovvero la presenza di interfacce aria/dielettrico che determinano indesiderate perdite ottiche e in definitiva la riduzione sensibile dell'efficienza ottica globale del dispositivo.

Il ricevitore fotovoltaico (1) oggetto della presente invenzione costituisce una innovazione tecnologica in quanto utilizza, ai fini dello splittamento spettrale, anziché una serie di filtri dicroici separati, fonti di perdite ottiche alle interfacce, un pentaprisma (PP) privo di interfacce aria/dielettrico, accoppiato fino ad un minimo di due ed un massimo di tre filtri dicroici e tre celle solari, all'interno del quale la radiazione solare è convogliata e riciclata, costituendo in tal modo una vera e propria trappola ottica che riduce al minimo le perdite ottiche del sistema e quindi massimizza la sua efficienza ottica.

Il ricevitore fotovoltaico oggetto della presente invenzione è un dispositivo che può essere realizzato con componenti ottici di basso costo e di facile costruzione. Esso costituisce una innovazione rispetto alla tecnologia esistente, in quanto è il primo funzionante con un sistema a pentaprisma che sia applicato ai fini della conversione elettrica della radiazione solare concentrata sottoposta a splittamento spettrale.

Il solare fotovoltaico a concentrazione è una promettente via per l'ottenimento di energia elettrica a costi convenienti e nel rispetto dell'ambiente. Diversamente dal fotovoltaico piano (irradianza di 1 Sole), che si adatta bene ad essere applicato in maniera diffusa su superfici fisse e che è in grado di convertire la radiazione solare in elettricità con efficienze che, per il Silicio cristallino, sono superiori al 20%, quello a concentrazione richiede una più sofisticata tecnologia sia per quanto riguarda l'allineamento con il Sole (sono richiesti inseguitori solari di precisione), che per l'allestimento dell'ottica di concentrazione, ed infine per la progettazione di dispositivi fotovoltaici ad alta efficienza, sofisticati e ad alto costo, a parità di area, rispetto ai dispositivi fotovoltaici tradizionali. Nonostante il costo elevato del dispositivo (tipicamente una cella solare multigiunzione), l'alto rapporto di concentrazione (dell'ordine delle centinaia di Soli) riduce dello stesso fattore le dimensioni del dispositivo fotovoltaico e quindi anche l'impatto che il costo di quest'ultimo ha sul costo complessivo dell'impianto. È chiaro che, a causa della movimentazione richiesta da un sistema FV a concentrazione, e ai problemi relativi allo smaltimento del calore, che sono più evidenti qui dove i livelli di irraggiamento sul dispositivo sono molto elevati, i sistemi FV a concentrazione sono più adatti a costituire sistemi di grande potenza, isolati e centralizzati.

Uno dei punti critici di ogni sistema FV ha origine dalle seguenti motivazioni: diversamente dai sistemi termici, che sono in grado di catturare e trasformare in calore la radiazione dell'intero spettro solare, i sistemi FV sono caratterizzati da una grandezza chiamata "risposta spettrale", la quale stabilisce rigorosamente l'intervallo spettrale entro il quale il sistema è in grado di operare la conversione della radiazione solare in elettricità. È ben noto, inoltre, che per dispositivi ad una sola giunzione, questo comporta un limite teorico dell'efficienza di conversione che, ad esempio nel caso del Silicio cristallino, si aggira intorno al 30% senza concentrazione, e quindi in pratica le migliori efficienze di celle o moduli FV al Silicio cristallino si attestano al massimo intorno al 25%. La grandezza fisica caratteristica che condiziona il comportamento della giunzione, e quindi in definitiva la sua efficienza di conversione, è l'intervallo di energia proibita (energia di "gap" Eg) tra la banda di valenza e la banda di conduzione del semiconduttore impiegato nella giunzione. Questa energia condiziona sia la tensione della cella solare, che ha per limite teorico Eg/ e (con e carica elettronica), che la corrente generata, in quanto soltanto i fotoni incidenti con energia hv > Eg possono essere potenzialmente convertiti in elettricità, dopo aver trasformato in calore l'eccesso di energia rispetto alla Eg. I fotoni con energia hv < Eg non partecipano al processo di conversione fotovoltaica. L'unico modo per innalzare questo limite teor<i>co è quello di irradiare più giunzioni contemporaneamente assegnando a ciascuna di esse la porzione di spettro che ne assicura una maggiore efficienza di conversione, ovvero quella corrispondente ad energie fotoniche prossime, ma superiori alla Eg.

Portando al limite termodinamico questo approccio, ovvero nell'ipotesi di un numero indefinito di giunzioni correttamente irradiate, l'efficienza limite salirebbe fino all' 87% circa, il che fa prevedere l'esistenza di un ampio intervallo operativo a disposizione per il miglioramento degli attuali livelli di efficienza di conversione. In questo modo si applica il concetto dello "splittamento spettrale", assegnando cioè a diverse giunzioni diverse porzioni dello spettro solare. Nella pratica questo concetto viene applicato secondo due diverse modalità che possono essere schematizzate come segue: collegando le diverse giunzioni, o celle solari (CS), in serie come mostrato in Fig. 2a, oppure in parallelo come mostrato in Fig. 2b.

Lo schema di tipo seriale (Fig. 2a), che comporta il passaggio della stessa corrente attraverso i tre dispositivi, è oggi largamente usato nei sistemi FV nei quali si raggiungono concentrazioni di qualche centinaio di Soli. I dispositivi adatti per queste concentrazioni sono noti come celle solari a multigiunzione (MJ solar cells), e sono realizzati depositando materiali semiconduttori diversi uno sull'altro (generalmente dei gruppi III-V), fino a formare un unico dispositivo monolitico nel quale le diverse giunzioni (generalmente 3) sono sovrapposte e connesse in serie. Le diverse giunzioni sono disposte in modo da presentare una Eg decrescente a partire dalla superficie illuminata; in questo modo le giunzioni superiori, a più alta Eg r assorbiranno i fotoni a più alta energia, mentre quelle inferiori assorbiranno i fotoni con energia più bassa. In questo modo, si può pensare che la giunzione superiore, con Eg = Eg1, si comporti come un filtro dicroico che assorbe i fotoni con energia hv > Eg1 e trasmette quelli con energia hv < Eg1; la giunzione successiva, con Eg = Eg2, si comporti come un filtro passa banda che assorbe i fotoni-con energia Eg2 < hv < Eg1 e trasmette alla successiva giunzione i fotoni con energia hv < Eg2, e così via. Questo approccio è oggi quello più seguito negli impianti FV a concentrazione (CPV) ed ha portato a celle solari con efficienza di laboratorio di circa il 46%.

Gli inconvenienti principali di questa tecnologia sono due. Il primo è che i diversi semiconduttori cristallini debbono essere cresciuti uno sull'altro e quindi debbono avere una buona corrispondenza in termini di dimensioni reticolari (crescita epitassiale) , al fine di limitare al massimo le inevitabili dislocazioni che si comportano come trappole per le cariche fotogenerate. Questo ha come effetto la necessità di una scelta molto accurata dei materiali, che debbono essere depositati con tecnologie molto sofisticate. Il secondo inconveniente sta nella connessione in serie, che comporta la stessa corrente attraverso le tre giunzioni e che è massima per un determinato spettro solare, quello standard della radiazione solare diretta in condizioni di cielo sereno e per una posizione del Sole corrispondente a AM1.5 (Air Mass 1.5). L'inevitabile variazione diurna dello spettro solare comporta allora che la corrente potenzialmente disponibili dalle diverse giunzioni non sia più la stessa, ma degradi per assumere il valore della corrente minima prodotta.

Un approccio alternativo a quello delle celle MJ consiste nel separare lo spettro solare con dei filtri dicroici per ottenere diverse bande spettrali da indirizzare selettivamente alle diverse celle solari (Fig. 2b), realizzando così uno splittamento spettrale di tipo parallelo. Rispetto alle celle MJ, un ricevitore solare con splittamento spettrale di tipo parallelo non impone nessun limite alla scelta dei materiali semiconduttori o ai processi di deposizione degli stessi, poiché le celle solari sono fisicamente indipendenti e possono essere semplicemente delle omogiunzioni, anche se non è escluso, in linea di principio, l'uso di celle solari a più giunzioni anche in questo caso. Le celle sono disposte in "tandem nella stessa struttura di supporto e possono quindi essere realizzate con qualsiasi tecnica, senza preoccuparsi di realizzare crescite epitassiali. Inoltre, non è più necessario che i diversi ricevitori FV lavorino alla stessa corrente, perché convertitori separati possono essere utilizzati per ogni gruppo di celle omogenee, oppure possono essere messe a punto diverse connessioni a multicen e di tipo serie/parallelo. Inoltre, il metodo dello splittamento spettrale parallelo, consentendo l'uso di celle più semplici, a una o al massimo due giunzioni, e quindi più economiche, apre la strada all'uso di concentrazioni più basse, e quindi ad ottiche con angoli di accettanza maggiori, portando quindi a condizioni di operatività più rilassate, sia per l'ottica di concentrazione che per i sistemi meccanici dedicati all'inseguimento solare.

Lo schema correntemente usato per realizzare un sistema di splittamento spettrale di tipo parallelo è quello che usa diversi filtri dicroici, ciascuno realizzato con sequenze periodiche di strati dielettrici sottili e non assorbenti, dotati di un forte contrasto sull'indice di rifrazione. La Fig. 2b mostra un esempio di schema per la separazione spettrale di tipo parallelo, nel quale la radiazione composta dalle ipotetiche bande B, V, R, che rappresentano schematicamente le porzioni a più bassa lunghezza d'onda (B), a media lunghezza d'onda (V) e a lunga lunghezza d'onda (R), è indirizzata ad un primo filtro dicroico FD1 il quale si comporta come uno "specchio freddo" (cold mirror) riflettendo la radiazione B sulla prima cella CSI e trasmettendo la radiazione V+R a più alta lunghezza d'onda; quest'ultima è indirizzata ad un secondo filtro dicroico FD2, il quale si comporta anch'esso come uno specchio freddo, riflettendo la radiazione della banda V, a media lunghezza d'onda, che va ad irradiare la seconda cella solare CS2, e trasmettendo l'ultima banda R sulla terza cella solare CS3. La Fig. 2b mostra solo una rappresentazione schematica del metodo di splittamento spettrale parallelo. Adottando rigorosamente uno schema di questo tipo, si va incontro all'inconveniente di avere perdite ottiche in corrispondenza alle varie interfacce aria/dielettrico. La Fig.

3 mostra le curve di riflettanza R e trasmittanza T di un filtro dicroico commerciale (cold mirror).

Come si vede dalla Fig. 3, le curve di R e T non sono a gradino nella regione spettrale attorno alla lunghezza d'onda di taglio ( λ ~ 675 nm). Questo fatto può costituire una perdita ottica se la Eg della cella cui è riflessa la luce è fatta coincidere con la lunghezza d'onda di taglio del dicroico, in quanto una porzione della luce riflessa avrebbe una energia fotonica inferiore alla Eg. Per evitare ciò, è sufficiente scegliere una λg = he / Eg > λT, ad esempio λg ~ 700 nm nel caso dell'esempio di Fig. 3, in modo tale che tutta la radiazione riflessa dal dicroico sia assorbita dalla cella.

La presente invenzione introduce un metodo innovativo di splittamento spettrale di tipo parallelo, nel quale non sono presenti gli inconvenienti discussi a proposito dello schema semplificato di Fig. 2b. Il metodo proposto, infatti, è basato sull'uso di un pentaprisma, opportunamente accoppiato a due o al massimo tre filtri dicroici e a tre celle solari (vedi Fig. 1), all'interno del quale avviene lo splittamento spettrale della radiazione presente in ingresso e la sua conversione elettrica, senza che si manifestino perdite ottiche significative alle interfacce, non essendo presenti interfacce aria/dielettrico.

La Fig. 4 mostra schematicamente il percorso della luce all'interno del pentaprisma PP. La luce entra nel PP attraversando perpendicolarmente la faccia (3). La luce trasmessa dalla faccia (3) raggiunge la faccia (10), qui è riflessa e raggiunge la faccia (13), dove è ancora riflessa ed infine raggiunge la faccia (17). Se le facce (10), (13) e (17), oppure soltanto le facce (10) e (13) sono provviste di filtri dicroici, del tipo "cold mirrors" ad esempio, è possibile trasmettere, attraverso le facce (10), (13) e (17), diverse porzioni spettrali della radiazione presente in ingresso, come mostrato schematicamente in Fig. 5 nel caso in cui si usino soltanto due filtri dicroici. Se inoltre le facce (10), (13) e (17) vengono accoppiate con tre celle solari con energia di gap Eg rispettivamente crescente, e opportunamente scelte in modo da accoppiare in maniera ottimale le tre celle con la porzione di radiazione solare ad esse trasmessa, si è realizzato in tal modo un "ricevitore fotovoltaico" che realizza lo splittamento spettrale della radiazione solare e la sua conversione in elettricità .

La Fig. 5 mostra, a titolo di esempio, l'uso del PP con due filtri dicroici (cold mirrors) per lo splittamento della radiazione incidente in tre bande spettrali R, V, B (il riferimento ai colori rosso, verde e blu è soltanto indicativo per specificare che si tratta di radiazione a lunghezza d'onda decrescente) , da distribuire su tre diverse celle solari ad omogiunzione con Eg crescente, che nella Fig. 5 sono indicate rispettivamente come: Ge (Germanio) (Eg = 0.65 eV, λg = 1.9 μm), Si (Silicio) (Eg = 1.12 eV, λg = 1.1 μτη), e InGaP (Fosfuro di Indio e Gallio) (Eg - 1.84 eV, λg = 0.67 μm) .

I due filtri dicroici adatti allo splittamento spettrale della radiazione su queste tre celle solari sono: i) il primo, un Radiant Mirror Film VM2002 della 3M, operante come "cold mirror", con una lunghezza d'onda di taglio λτ - 1000 nm; ii) il secondo, un filtro dicroico operante anch'esso come "cold mirror", con una lunghezza d'onda di taglio λτ = 675 nm, come quello della Edmund mostrato in Fig. 3.

Come si può notare in Fig. 5, la sequenza di celle solari incontrate dalla luce nel suo percorso all'interno del pentaprisma corrisponde ad un andamento crescente della Eg, esattamente il contrario di quanto avviene all'interno di una cella MJ. Il motivo è che, usando il pentaprisma, il meccanismo dello splittamento spettrale non è più dettato dalla Eg della cella solare, ma semplicemente dalla scelta dei filtri dicroici accoppiati con il pentaprisma. Se, ad esempio, si scegliesse di usare dei filtri dicroici di tipo "hot mirrors", allora la sequenza delle celle solari sul pentaprisma sarebbe quella che vede una diminuzione della Eg, come avviene nelle celle MJ.

Naturalmente, la sequenza delle Eg delle celle solari lungo il percorso della luce può essere del tutto arbitraria, dipendendo soltanto dalla particolare scelta dei filtri dicroici (9), (14) e (18).

Uno degli oggetti della presente invenzione riguarda per l'appunto un dispositivo ricevitore fotovoltaico di questo tipo, cui saranno associati altri componenti ottici di arte nota, quali il concentratore primario ed altri eventuali componenti ottici adibiti alla focalizzazione del fascio, che permetteranno al sistema di operare in condizioni di luce solare concentrata. In alternativa, il dispositivo a pentaprisma dicroico (1), può essere utilizzato per misurare, in generale, l'intensità luminosa associata a tre bande spettrali di una qualsiasi radiazione elettromagnetica. In questo caso, il dispositivo (1) non richiede necessariamente l'uso di tre convertitori fotovoltaici distinti, scelti in modo che la loro risposta spettrale sia ottimizzata rispetto alla porzione di radiazione ad essi trasmessa al fine di massimizzare l'efficienza di conversione della radiazione in ingresso in elettricità, ma è sufficiente utilizzare un unico convertitore fotovoltaico, ad esempio un fotodiodo al Silicio cristallino, in grado di rivelare la radiazione e.m. nel Vis e NIR.

Per quanto riguardo lo stato dell'arte nel settore dell'invenzione, il riferimento più prossimo della letteratura brevettale al dispositivo oggetto della presente invenzione è il brevetto US Patent N. 5,828,497, del 27 Ottobre 1998, dal titolo: "Dichroic pentaprism for separating or combining frequency bands of electromagnetic energy", di N. Neumann e R. Purcel. In questo brevetto un pentaprisma è usato come supporto trasparente su due facce del quale sono realizzati due rivestimenti dicroici differenti, il primo, operante come un "hot mirror", in grado di trasmettere la banda blu dello spettro visibile (banda 1) e riflettere la banda verde e rossa, il secondo, operante come un "cold mirror", per riflettere la banda verde (banda 2) e trasmettere la banda rossa (banda 3). Sulle due facce in cui sono presenti i filtri dicroici vengono aggiunti due prismi di forma triangolare, i quali consentono di trasmettere la banda 1 (blu) e la banda 3 (rosso), con un cammino perpendicolare alla faccia di uscita. La banda 2 (verde) esce da una faccia del pentaprisma già in direzione perpendicolare. Il dispositivo è quindi esclusivamente un dispositivo ottico in grado di separare un fascio di luce bianca in tre fasci distinti, distribuiti su tre bande spettrali diverse che sono definite dalle lunghezze d'onda di taglio dei due filtri dicroici.

Diversamente dal dispositivo di Neumann e Purcel (qui indicato come NP) , il dispositivo oggetto della presente invenzione (qui indicato con 1'acronimo PDF, ovvero Pentaprisma Dicroico Fotovoltaico) è un dispositivo ottico/fotovoltaico, provvisto di tre ricevitori fotovoltaici diversi, quindi le cinque facce del PP sono così impegnate (vedi Fig. 4): i) la faccia (3) costituisce la faccia d'ingresso del fascio; ii) la faccia (10) è accoppiata al primo filtro dicroico (9) e alla prima cella solare (11); iii) la faccia (13) è accoppiata al secondo filtro dicroico (14) e alla seconda cella solare (15); iv) la faccia (17) è accoppiata al terzo filtro dicroico (18) e alla terza cella solare (19), oppure è accoppiata direttamente alla terza cella solare (19) qualora si ritenga superfluo il terzo filtro dicroico (18); v) la faccia (23) non è utilizzata e può essere rivestita con un film metallico riflettente, così come le altre due facce laterali (24) e (25). La faccia d'ingresso (3) e la faccia (17) sono perpendicolari alla direzione d'incidenza del fascio all'interno del pentaprisma, mentre le facce (10) e (13) ricevono la radiazione parallela (8, 12) con una inclinazione di 22.5° rispetto alle loro normali, come è visibile in Fig. 5.

Le differenze principali tra il dispositivo NP e quello PDF sono quindi le seguenti:

i) il dispositivo PDF è un sistema di tipo "fotovoltaico che, oltre ad operare lo splittamento spettrale della radiazione solare inc o meno, la indirizza su tre ricevitori fotovoltaici, fotodiodi o celle solari, allo scopo di misurare la corrispondente intensità o di utilizzare per fini energetici la potenza assorbita, rispettivamente.

ii) Il dispositivo ottico PDF è molto più semplice di quello NP, in quanto utilizza un pentaprisma in cui i due o tre filtri dicroici sono accoppiati semplicemente a due o tre facce del pentaprisma e non richiedono quindi l'uso di prismi triangolari aggiuntivi .

iii) Il dispositivo PDF, se si escludono i tre ricevitori fotovoltaici, è in grado di splittare un fascio di radiazione e.m. nel campo del visibile e del vicino infrarosso, allo stesso modo di quanto viene svolto dal dispositivo NP, con la differenza che il dispositivo PDF è molto più semplice.

iv) Il dispositivo PDF, se si escludono i tre ricevitori fotovoltaici, è in grado di splittare un fascio di radiazione e.m. nel campo del visibile e vicino infrarosso, sia che questa radiazione si presenti sotto forma di un fascio concentrato che di un fascio semplicemente parallelo, come nel caso del dispositivo NP. Le due alternative si distinguono semplicemente dalla presenza o meno della lente piano convessa (4) sulla faccia d'ingresso (3) del pentaprisma (PP).

v) Diversamente dal dispositivo NP, il dispositivo PDF si può assimilare ad una cavità ottica all'interno della quale è confinata la radiazione. Tutte le facce del PP infatti sono accoppiate o a degli assorbitori selettivi di radiazione (le celle solari) oppure a degli specchi che restituiscono all'interno del PP la radiazione da essi riflessa, quindi le perdite di luce verso l'esterno sono minimizzate, rimanendo soltanto la faccia (3) accessibile alla radiazione in uscita, ed essendo trascurabili gli assorbimenti sia da parte del PP che da parte dei due filtri dicroici.

vi) Il dispositivo NP è stato progettato allo scopo di avere la radiazione in uscita perpendicolare alle corrispondenti facce. Nel nostro caso, invece, non si richiede necessariamente che la radiazione incida perpendicolarmente sulle facce di uscita, in quanto anche un angolo di incidenza come quello previsto di 22.5° sulle facce (10) e (13) non cambia le proprietà di assorbimento da parte della cella solare.

vii) Il dispositivo NP è stato progettato allo scopo di non produrre effetti di polarizzazione. Nel nostro dispositivo PDF, invece, l'eventuale polarizzazione della radiazione nel dispositivo PDF non ha nessun effetto sulla sua conversione in elettricità, in quanto, con una incidenza quasi perpendicolare, l'assorbimento della radiazione non distingue lo stato di polarizzazione .

Il dispositivo PDF, corredato della lente d'ingresso, può essere usato come ricevitore nei sistemi fotovoltaici a concentrazione con splittamento spettrale di tipo parallelo. In questi tipi di ricevitore FV, lo splittamento viene realizzato comunemente intercettando il fascio con uno o più filtri dicroici che provvedono a selezionare progressivamente diverse bande di energia, dividendo il fascio in due bande, se si usa un dicroico, o in tre bande, se si usano due dicroici, e così via. Questo tipo di dispositivi presenta l'inconveniente di produrre perdite ottiche in corrispondenza delle tante interfacce cui è sottoposto il fascio. Queste perdite ottiche non sono evitabili in assenza di una cavità che ne permetta la raccolta e il riciclo. Il dispositivo PDF oggetto della presente invenzione presenta invece le caratteristiche adatte a minimizzare queste perdite e quindi rappresenta un'innovazione rispetto allo stato dell'arte presente.

Le proprietà del dispositivo PDF sono riassunte di seguito: i) Il pentaprisma PP è semplicemente accoppiato, tramite un minimo di due ed un massimo di tre filtri dicroici, a tre convertitori fotovoltaici (celle solari). Non si richiedono componenti allegati ("attachements") come quelli descritti per il dispositivo NP. I filtri dicroici sono incollati al PP e le celle solari ai dicroici o al PP con dei sigillanti non assorbenti e con indice di rifrazione uguale a quello del PP.

ii) Il dispositivo PDF non richiede che la luce colpisca le facce attive del pentaprisma necessariamente in modo perpendicolare .

iii) Il dispositivo PDF lavora con splittamento spettrale parallelo e può lavorare con luce parallela, come nel caso NP, oppure concentrata; nel primo caso, la radiazione in ingresso è accoppiata direttamente alla faccia (3) del PP; nel secondo caso, la faccia d'ingresso (3) del PP è accoppiata con la lente pianoconvessa (4), come mostrato in Fig. 1.

iv) Il PP, quando le facce non utilizzate sono ricoperte con film metallici riflettivi, opera come una cavità ottica con perdite ottiche trascurabili. Le eventuali riflessioni non desiderate alle interfacce PP/dicroico e dicroico/cella costituiscono una radiazione che ha delle "chance" per essere riciclata ed infine sostanzialmente riassorbita dalla cella cui era destinata, in quanto il percorso previsto per la radiazione è tale che la radiazione non assorbita la prima volta dalla cella cui era destinata ha una seconda opportunità di esserlo grazie all'orientamento reciproco delle facce (10), (13) e (17), che favorisce il ritorno della radiazione sulle stesse celle.

v) Il dispositivo PDF (1), adatto allo splittamento spettrale e alla misura di un radiazione elettromagnetica non meglio specificata, e per il quale non è strettamente necessario massimizzare l'efficienza di conversione fotovoltaica, può essere utilizzato convenientemente per la misura di specifiche bande spettrali nel campo del Vis e del NIR, scegliendo opportunamente i filtri dicroici ed utilizzando semplicemente tre fotorivelatori uguali, ad esempio di Silicio cristallino, che ha una risposta spettrale ampia, che comprende il Vis da ~350nm ed il NIR fino a ~1200 nm.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI dell'invenzione avente per TITOLO: "DISPOSITIVO PER LO SPLITTAMENTO SPETTRALE, LA MISURA E LA CONVERSIONE FOTOVOLTAICA DI UNA RADIAZIONE" 1. Dispositivo (1) per lo splittamento spettrale e la misura di una radiazione (6). Il dispositivo (1) comprende un pentaprisma (2) atto ad alloggiare tre filtri ottici (9), (14) e (18), accoppiati otticamente a tre fotorivelatori (11), (15) e (19), ed è caratterizzato dal fatto che la radiazione (6), resa parallela dall'elemento di focalizzazione (4), è trasmessa all'interno del pentaprisma (2) dove intercetta, in sequenza, le tre coppie filtro ottico/fotorivelatore (9)/(11), (14)/(15) e (18)/ (19), per mezzo delle quali l'intensità relativa a tre distinte regioni spettrali della radiazione (6) viene misurata.
2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i tre fotorivelatori (11), (15) e (19) sono identici e sono caratterizzati da una risposta spettrale che copre una parte significativa dello spettro della radiazione incidente (6) da misurare.
3. 3. Dispositivo secondo le rivendicazioni 1 o 2, caratterizzato dal fatto che il filtro ottico (18) è opzionale.
4. 4. Dispositivo (1) per lo splittamento spettrale e la conversione fotovoltaica di una radiazione (6), comprendente un pentaprisma (2), atto ad alloggiare tre filtri ottici (9), (14) e (18), accoppiati otticamente a tre celle solari distinte (11), (15) e (19), e caratterizzato dal fatto che la radiazione solare concentrata (6), resa parallela dall'elemento di focalizzazione (4), è trasmessa all'interno del pentaprisma (2) dove intercetta, in sequenza, le tre coppie filtro ottico/cella solare (9)/(11), (14)/(15) e (18)/(19), per mezzo delle quali la radiazione (6) è convertita in elettricità.
5. 5. Dispositivo secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che l'ottica di focalizzazione (4) è una lente pianoconvessa rivestita con un film antiriflettente.
6. 6. Dispositivo secondo le rivendicazioni 4 o 5, caratterizzato dal fatto che le facce (23), (24) e (25) del pentaprisma (2) sono metallizzate allo scopo di non disperdere all'esterno la radiazione presente all'interno del pentaprisma (2).
7. 7. Dispositivo secondo le rivendicazioni da 4 a 6, caratterizzato dal fatto che i filtri ottici (9), (14) e (18) sono dei filtri dicroici.
8. 8. Dispositivo secondo le rivendicazioni da 4 a 7, caratterizzato dal fatto che il filtro ottico (18) è opzionale.
9. 9. Dispositivo secondo le rivendicazioni da 4 a 8, caratterizzato dal fatto che i filtri dicroici (9) e (14) sono così caratterizzati: il primo da una lunghezza d'onda di taglio nel NIR e il secondo da una lunghezza di taglio nel rosso.
10. 10. Dispositivo secondo le rivendicazioni da 4 a 9, caratterizzato dal fatto che i filtri dicroici (9) e (14) sono specchi freddi ("cold mirror"), con lunghezza d'onda di taglio rispettivamente di 1050 e 675 nm, e che le tre celle solari (11), (15) e (19), sono rispettivamente una cella al Ge (Germanio), una al c-Si (Silicio cristallino) ed una all'InGaP (Fosfuro di Indio e Gallio).