ITMC20070126A1 - PHOTOVOLTAIC MODULE AND MODULAR PANEL WITH IT MADE FOR THE COLLECTION OF RADIANT SOLAR ENERGY AND ITS TRANSFORMATION IN ELECTRICITY. - Google Patents
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- Photovoltaic Devices (AREA)
Description
DESCRIZIONE DESCRIPTION
a corredo di una domanda di brevetto per invenzione industriale avente per titolo: accompanying a patent application for an industrial invention entitled:
“MODULO FOTOVOLTAICO E PANNELLO MODULARE CON ESSO REALIZZATO PER LA RACCOLTA DI ENERGIA SOLARE RADIANTE E LA SUA TRASFORMAZIONE IN ENERGIA ELETTRICA”. "PHOTOVOLTAIC MODULE AND MODULAR PANEL WITH IT MADE FOR THE COLLECTION OF RADIANT SOLAR ENERGY AND ITS TRANSFORMATION INTO ELECTRIC ENERGY".
TESTO DELLA DESCRIZIONE TEXT OF THE DESCRIPTION
La presente domanda di brevetto ha per oggetto un modulo fotovoltaico ed il pannello modulare con esso realizzato per la raccolta di energia solare radiante e la sua trasformazione in energia elettrica. The present patent application relates to a photovoltaic module and the modular panel made with it for the collection of radiant solar energy and its transformation into electrical energy.
E’ nota da molti anni la realizzazione di pannelli solari che utilizzano più celle fotovoltaiche per la conversione dell’energia solare radiante in energia elettrica. The construction of solar panels that use multiple photovoltaic cells for the conversion of radiant solar energy into electricity has been known for many years.
Il principio alla base del funzionamento delle celle solari fotovoltaiche può essere brevemente riassunto come segue. The principle behind the operation of photovoltaic solar cells can be briefly summarized as follows.
Una cella fotovoltaica è essenzialmente simile alla giunzione di un diodo a semiconduttori e si differenzia da un normale diodo, oltre che per le dimensioni, per essere costruita in modo tale da permettere alla radiazione incidente (generalmente luce solare) di raggiungere la zona di svuotamento della barriera di potenziale. Un fotone incidente su un semiconduttore ha una probabilità di essere assorbito se la sua energia è pari o superiore alla differenza di energia tra la banda di valenza e quella di conduzione del semiconduttore stesso. A photovoltaic cell is essentially similar to the junction of a semiconductor diode and differs from a normal diode, in addition to the size, to be built in such a way as to allow the incident radiation (generally sunlight) to reach the emptying area of the potential barrier. A photon incident on a semiconductor has a probability of being absorbed if its energy is equal to or greater than the difference in energy between the valence and conduction bands of the semiconductor itself.
Un fotone assorbito nella zona di svuotamento della giunzione ha una elevata probabilità di generare una coppia elettrone/lacuna, che vengono separati e convogliati dalla differenza di potenziale esistente verso i due elettrodi anodo e catodo rispettivamente, generando una corrente elettrica nel circuito esterno collegato ai due elettrodi. A photon absorbed in the emptying zone of the junction has a high probability of generating an electron / hole pair, which are separated and conveyed by the existing potential difference towards the two anode and cathode electrodes respectively, generating an electric current in the external circuit connected to the two electrodes.
La ricombinazione avviene per richiusura attraverso un circuito esterno, nel quale la corrente elettrica così generata può compiere un lavoro. L’ottimizzazione dell 'efficienza di una giunzione per massimizzare l’effetto fotovoltaico deve tenere conto di una pluralità di parametri come la trasparenza dell’elettrodo rivolto verso la fonte di luce, lo spessore del semiconduttore, l’ampiezza della zona di svuotamento, la scelta di un opportuno drogaggio del semiconduttore per avere i valori desiderati di banda di valenza e banda di conduzione, e molti altri. Questi principi sono ampiamente noti e trattati in letteratura tecnica e scientifica, alla quale si rimanda per eventuali approfondimenti. The recombination takes place by reclosing through an external circuit, in which the electric current thus generated can perform a job. The optimization of the efficiency of a junction to maximize the photovoltaic effect must take into account a plurality of parameters such as the transparency of the electrode facing the light source, the thickness of the semiconductor, the width of the emptying area, the choice of a suitable doping of the semiconductor to have the desired values of valence band and conduction band, and many others. These principles are widely known and dealt with in technical and scientific literature, to which reference should be made for further information.
L’attuale tecnologia della produzione di energia elettrica di tipo fotovoltaico è prevalentemente basata su celle in silicio che vengono realizzate fondamentalmente con la stessa tecnologia che viene impiegata per produrre i componenti utilizzati nei più svariati campi dell’ elettronica. The current technology of photovoltaic electricity production is mainly based on silicon cells that are basically made with the same technology that is used to produce the components used in the most varied fields of electronics.
Per tutti gli elementi fotovoltaici prodotti su silicio, i parametri caratteristici della singola cella costituente sono definiti dalla tecnologia stessa, risultando in una tensione a vuoto di circa 0.55V ed un picco di assorbimento nell’intomo della lunghezza d’onda di circa 800-900 nanometri, generando una corrente dell’ordine di 0,5mA/mm con una illuminazione standard di 1000 W/m di energia radiante. For all the photovoltaic elements produced on silicon, the characteristic parameters of the single constituent cell are defined by the technology itself, resulting in a no-load voltage of about 0.55V and an absorption peak around the wavelength of about 800-900 nanometers, generating a current of the order of 0.5mA / mm with a standard illumination of 1000 W / m of radiant energy.
Allo stato attuale della tecnologia il rendimento energetico massimo di un elemento fotovoltaico realizzato con questo tipo di tecnologia non è normalmente superiore al 21-22% ed il rendimento totale dell’impianto non è di solito superiore al 17% circa. At the current state of technology, the maximum energy efficiency of a photovoltaic element made with this type of technology is normally not higher than 21-22% and the total efficiency of the system is usually not higher than about 17%.
La tecnologia per la produzione delle celle solari fotovoltaiche oggi è relativamente consolidata pur se in continua evoluzione, e principalmente basata sulle celle in silicio monocristallino o policristallino, anche se altre tecnologie sono state illustrate e disponibili. In particolare sono di un certo interesse le celle realizzate in silicio amorfo, relativamente economiche ma di scarsa efficienza operativa, e le celle che utilizzano materiali semiconduttori diversi dal silicio, come arseniuro di gallio, tellururo di cadmio, germanio, che hanno migliori prestazioni ma costo relativamente più elevato. Presentano anche un certo interesse le celle basate su materiali organici, che però alla data odierna sono ancora perlopiù allo stato di ricerca e piuttosto lontane da possibili applicazioni industriali. The technology for the production of photovoltaic solar cells today is relatively consolidated although in continuous evolution, and mainly based on monocrystalline or polycrystalline silicon cells, although other technologies have been illustrated and available. In particular, the cells made of amorphous silicon, relatively cheap but of poor operating efficiency, and the cells that use semiconductor materials other than silicon, such as gallium arsenide, cadmium telluride, germanium, are of some interest, which have better performance but cost relatively higher. Cells based on organic materials are also of some interest, but as of today they are still mostly in the research state and rather far from possible industrial applications.
Le celle solari, nei casi più comuni vengono assemblate in pannelli contenenti un certo numero di celle (di solito da 18 a 96 ed oltre), e quindi connessi tra loro in gruppi da 10 a 20 pannelli per realizzare la sorgente di energia elettrica (stringa) con tensione di uscita di 300V, 500V o superiore. Solar cells, in the most common cases, are assembled into panels containing a certain number of cells (usually from 18 to 96 and more), and then connected together in groups of 10 to 20 panels to create the source of electrical energy (string ) with output voltage of 300V, 500V or higher.
Nel caso di connessione alla rete elettrica è ulteriormente necessario un circuito convertitore (inverter) che trasforma l’energia elettrica unidirezionale generata dalla fonte fotovoltaica in tensione alternata adattata per valore e frequenza ai parametri della rete elettrica generale. In the case of connection to the electricity grid, a converter circuit (inverter) is further required which transforms the unidirectional electricity generated by the photovoltaic source into alternating voltage adapted for value and frequency to the parameters of the general electricity grid.
Benché molto promettente, lo sviluppo della produzione di energia elettrica da fonte fotovoltaica oggi trova essenzialmente i principali ostacoli, nel costo elevato delle celle in silicio monocristallino o policristallino, e nel problema estetico costituito dai pannelli che difficilmente si integrano nell’estetica degli edifici, particolarmente in quelli destinati ad uso civile. Although very promising, the development of electricity production from photovoltaic sources today essentially finds the main obstacles, in the high cost of monocrystalline or polycrystalline silicon cells, and in the aesthetic problem constituted by the panels that are difficult to integrate into the aesthetics of buildings, particularly in those intended for civil use.
Un ulteriore problema molto sentito soprattutto dai progettisti ed installatori degli impianti è quello della scarsa standardizzazione sia delle dimensioni che delle caratteristiche dei pannelli fotovoltaici, ciò che complica Γ installazione e rende difficile e costosa la sostituzione successiva di elementi guasti in un impianto realizzato anni prima. A further problem much felt above all by the designers and installers of the systems is that of the poor standardization of both the dimensions and the characteristics of the photovoltaic panels, which complicates installation and makes the subsequent replacement of faulty elements in a system built years earlier difficult and expensive.
Scopo principale della presente invenzione è la realizzazione di modulo fotovoltaico che sia esente dagli inconvenienti sopra esposti. The main object of the present invention is to provide a photovoltaic module which is free from the drawbacks described above.
Secondo la presente invenzione viene realizzato un modulo fotovoltaico che risulta robusto, affidabile ed economico da produrre, e che risulta nel contempo dotato di forma e dimensioni tali da offrire caratteristiche di scalabilità e modularità aH’impianto in cui esso è inserito, mediante la realizzazione di un modulo fotovoltaico monolitico realizzato preferibilmente, ma non necessariamente, almeno parzialmente in materiale ceramico o vetroso, che presenta un aspetto estetico tale da integrarsi facilmente nelle strutture di rivestimento o di copertura realizzate con materiali tradizionali e che integra in una struttura monolitica Γ elemento fotovoltaico, i circuiti elettronici di protezione e di conversione dell’energia elettrica e mezzi di fissaggio. According to the present invention, a photovoltaic module is produced which is robust, reliable and economical to produce, and which is at the same time endowed with such a shape and size as to offer characteristics of scalability and modularity to the system in which it is inserted, by means of the realization of a monolithic photovoltaic module preferably, but not necessarily, at least partially made of ceramic or glass material, which has an aesthetic appearance such as to be easily integrated into the cladding or roofing structures made with traditional materials and which integrates Γ photovoltaic element into a monolithic structure, electronic circuits for protection and conversion of electricity and fixing means.
Ulteriore scopo dell 'invenzione è quello di realizzare un pannello solare costituito da una pluralità di moduli, che imiti nella sua parte rivolta verso Γ esterno la forma e le dimensioni di piastrelle di ceramica normalmente utilizzate come rivestimento di facciate. A further object of the invention is to provide a solar panel consisting of a plurality of modules, which imitates in its part facing outwards the shape and dimensions of ceramic tiles normally used as facade cladding.
Ulteriore scopo dell 'invenzione è quello di realizzare un pannello solare costituito da una pluralità di moduli tale da imitare la caratteristica sagoma delle tegole tipicamente utilizzate per la copertura dei tetti, per favorirne Γ integrazione estetica e funzionale con normali tegole non fotovoltaiche. Analogamente possono essere imitate nella forma e nel colore anche altre coperture tradizionali, quali i coppi, le lastre di ardesia, eccetera. A further object of the invention is to provide a solar panel consisting of a plurality of modules such as to imitate the characteristic shape of the tiles typically used for roofing, to favor their aesthetic and functional integration with normal non-photovoltaic tiles. Similarly, other traditional roofs such as tiles, slate slabs, etc. can also be imitated in shape and color.
Le tecniche note e disponibili nel campo della lavorazione dei materiali ceramici o vetrosi consentono la realizzazione di forme e colori tali da imitare facilmente la maggior parte dei materiali di copertura di uso tradizionale, o di inventarne di nuovi, pertanto qui non si vuole scendere in dettagli troppo specifici delle singole possibili soluzioni estetiche, concentrando la trattazione sulla tecnica realizzativa dell’elemento fotovoltaico e dei suoi collegamenti sulla superficie di un substrato ceramico o vetroso ed alla tecnica di produzione che consente di mantenerne il costo relativamente basso. The known and available techniques in the field of ceramic or glassy materials processing allow the creation of shapes and colors such as to easily imitate most of the traditionally used roofing materials, or to invent new ones, therefore we do not want to go into details here. too specific of the single possible aesthetic solutions, concentrating the discussion on the manufacturing technique of the photovoltaic element and its connections on the surface of a ceramic or glass substrate and on the production technique that allows to keep its cost relatively low.
In particolare, a titolo di esempio non limitativo, gli elementi fotovoltaici integrati su ceramica qui descritti preferibilmente presenteranno dimensioni tali da essere compatibili con piastrelle e tegole commerciali di uso corrente nell’ edilizia. In questa prospettiva il modulo fotovoltaico in parola presenta nel suo formato elementare di base le dimensioni orientative di circa 300x300 mm per gli elementi per rivestimenti di facciate (piastrelle), e di dimensioni di circa 330x420 mm per quelli per il rivestimento di copertura (tegole). In particular, by way of non-limiting example, the photovoltaic elements integrated on ceramic described here will preferably have dimensions such as to be compatible with commercial tiles and tiles commonly used in construction. In this perspective, the photovoltaic module in question presents in its basic elementary format the approximate dimensions of about 300x300 mm for the elements for facade cladding (tiles), and of about 330x420 mm for those for the roof cladding (tiles). .
Per semplificare la descrizione ed i disegni nel seguito si farà riferimento ad un elemento quadrato di circa 300x300 mm, ritenendo che la trattazione possa essere agevolmente estesa alla realizzazione di moduli simili ma di differenti forme e dimensioni. To simplify the description and the drawings, reference will be made hereinafter to a square element of about 300x300 mm, considering that the discussion can be easily extended to the realization of similar modules but of different shapes and sizes.
Il modulo fotovoltaico secondo il trovato è composto da una struttura portante preferibilmente in materiale ceramico che integra nella parte rivolta verso Γ esterno un elemento fotovoltaico suddiviso in un adeguato numero di celle fotovoltaiche e le relative connessioni elettriche, e nella parte posteriore un convertitore di energia e relativi mezzi di connessione e di fissaggio, tali da renderne semplice l’impiego anche da parte di personale relativamente poco qualificato sulla base di semplici istruzioni impartite da personale tecnico. The photovoltaic module according to the invention is composed of a supporting structure preferably in ceramic material which integrates in the part facing outwards a photovoltaic element divided into an adequate number of photovoltaic cells and the relative electrical connections, and in the rear part an energy converter and relative connection and fixing means, such as to make it easy to use even by relatively unqualified personnel on the basis of simple instructions given by technical personnel.
Viene anche descritta la tecnica per produrre l’elemento fotovoltaico su elementi ceramici con forma e dimensioni analoghi a quelli usuali nell’ edilizia tradizionale, come piastrelle per rivestimento di facciate e tegole per la copertura di falde di tetti. The technique for producing the photovoltaic element on ceramic elements with a shape and size similar to those usual in traditional construction, such as tiles for covering facades and tiles for covering pitched roofs, is also described.
Come supporto meccanico per la realizzazione del dispositivo oggetto della presente invenzione è preferibilmente scelto un substrato facilmente producibile e realizzato in materiali economici come quelli di uso corrente neH’industria della ceramica, sul quale l’elemento fotovoltaico viene realizzato per mezzo della tecnologia , di per sé nota, della crescita per deposizione chimica di vapore (CVD Chemical Vapour Deposition). As a mechanical support for the realization of the device object of the present invention, a substrate that can be easily manufactured and made of cheap materials such as those commonly used in the ceramic industry, on which the photovoltaic element is made by means of technology, is preferably selected. itself known, of the growth by chemical vapor deposition (CVD Chemical Vapor Deposition).
La realizzazione di celle solari fotovoltaiche a film sottile su substrati di ceramica è già stata descritta, per esempio in Huang Yong Li (CN1547259 e CN1547263), e in Huang Wen Chiang e Wu L. W. (US2003 113481). The realization of thin-film photovoltaic solar cells on ceramic substrates has already been described, for example in Huang Yong Li (CN1547259 and CN1547263), and in Huang Wen Chiang and Wu L. W. (US2003 113481).
Nei casi citati tuttavia è sempre stato descritto l’uso di ceramiche speciali ad elevato grado di purezza. In the cases mentioned, however, the use of special ceramics with a high degree of purity has always been described.
Bamett in US5057163 descrive la realizzazione di un elemento fotovoltaico su un substrato ceramico, interponendo una barriera metallurgica per evitare l’inquinamento chimico del semiconduttore da parte delle impurità del substrato, ma realizza il semiconduttore per fusione ad elevata temperatura (1410°C). Bamett in US5057163 describes the construction of a photovoltaic element on a ceramic substrate, interposing a metallurgical barrier to avoid chemical pollution of the semiconductor by the impurities of the substrate, but realizes the semiconductor by melting at a high temperature (1410 ° C).
Il modulo fotovoltaico secondo il trovato si differenzia da quelli noti per il fatto di essere monolitico e di integrare in un unico modulo la struttura di supporto, l’elemento fotovoltaico, circuiti elettronici di conversione e protezione e mezzi di fissaggio. The photovoltaic module according to the invention differs from those known in that it is monolithic and integrates in a single module the support structure, the photovoltaic element, electronic conversion and protection circuits and fixing means.
Il modulo fotovoltaico secondo il trovato viene inoltre realizzato con un metodo che consente una elevata produttività e la soluzione del problema della liberazione di sostanze indesiderate contenute in tracce nel materiale ceramico, che potrebbero inquinare il materiale semiconduttore durante i processi a temperature elevate utilizzate nei processi finora noti. The photovoltaic module according to the invention is also made with a method that allows high productivity and the solution to the problem of releasing unwanted substances contained in traces in the ceramic material, which could pollute the semiconductor material during the high-temperature processes used in the processes up to now. known.
La ceramica del tipo correntemente utilizzata nell’ edilizia per la realizzazione dei rivestimenti è un miscuglio in varie proporzioni di numerosi silicati idrati ed ossidi, tra i quali la maggiore percentuale in peso è generalmente costituita da A1203ma contenente anche numerosi altri composti, che pur comparendo in percentuali minori contribuiscono in modo determinante alle caratteristiche finali estetiche e meccaniche del manufatto. The ceramic of the type currently used in construction for the realization of the coatings is a mixture in various proportions of numerous hydrated silicates and oxides, among which the greatest percentage by weight is generally constituted by A1203 but also containing numerous other compounds, which, although appearing in lower percentages contribute significantly to the final aesthetic and mechanical characteristics of the product.
A causa della incerta composizione del materiale di partenza, non è purtroppo possibile procedere alla deposizione diretta del materiale semiconduttore su un substrato inerte, come un supporto ceramico, in quanto alcuni composti, ed in particolare quelli del fosforo e dell’ arsenico presenti solitamente in tracce nel materiale di partenza, renderebbero inutilizzabile il materiale semiconduttore se venissero mobilizzati durante i processi di diffusione. Due to the uncertain composition of the starting material, it is unfortunately not possible to proceed with the direct deposition of the semiconductor material on an inert substrate, such as a ceramic support, as some compounds, and in particular those of phosphorus and arsenic usually present in traces in the starting material, they would render the semiconductor material unusable if they were mobilized during the diffusion processes.
È anche necessario scegliere un materiale di supporto con caratteristiche di espansione termica relativamente simili a quelle del silicio, per evitare la rottura dell 'elemento fotovoltaico quando il modulo subisce forti escursioni termiche, sia durante la fabbricazione che nell’ uso esposto al sole ed alle intemperie. It is also necessary to choose a support material with thermal expansion characteristics relatively similar to those of silicon, to avoid the breakage of the photovoltaic element when the module undergoes strong thermal excursions, both during manufacture and in use exposed to the sun and weather. .
Il silicio cristallino ha un fattore di espansione termica lineare di circa 3,6 x IO<"6>m/m °C. Crystalline silicon has a linear thermal expansion factor of about 3.6 x 10 <"6> m / m ° C.
Tra i materiali ceramici e vetrosi più comuni molti presentano vantaggiosamente una caratteristica di espansione termica lineare abbastanza vicina a tale valore, in particolare quelli che contengono elevate percentuali in peso di Si02e A1203, ad esempio la ceramica commerciale all’ 85% di A1203ha un fattore di espansione lineare di circa 5,5 x IO<"6>m/m °C ed il comune vetro borosilicato (corrispondente ad una composizione media di Si02= 70 ÷ 81%, B203= 7 ÷ 13%, Na20 oppure K20 = 4 ÷ 8 %, A1203= 2 ÷ 7%) ha un fattore di espansione lineare di 4 x IO<"6>m/m °C. Among the most common ceramic and glass materials, many advantageously have a characteristic of linear thermal expansion quite close to this value, in particular those that contain high percentages by weight of Si02 and A1203, for example commercial ceramic with 85% of A1203 has a factor of linear expansion of about 5.5 x IO <"6> m / m ° C and the common borosilicate glass (corresponding to an average composition of Si02 = 70 ÷ 81%, B203 = 7 ÷ 13%, Na20 or K20 = 4 ÷ 8%, A1203 = 2 ÷ 7%) has a linear expansion factor of 4 x IO <"6> m / m ° C.
Poiché lo scopo della presente invenzione è la realizzazione di un pannello modulare facilmente integrabile ed installabile negli edifici, in prima ipotesi si ritiene che il numero ottimale delle celle elementari per Γ elemento fotovoltaico sia da 8 a 16, generando quindi una tensione a vuoto tra circa 5 e 10 V. Since the purpose of the present invention is the realization of a modular panel that can be easily integrated and installed in buildings, in the first hypothesis it is believed that the optimal number of elementary cells for Γ photovoltaic element is from 8 to 16, thus generating a no-load voltage between approximately 5 and 10 V.
Una superficie di 300x300 mm corrisponde a 0,09 m , che offre quindi una capacità di captazione di circa 90W di energia solare radiante se correttamente esposta in modo ottimale, e considerando un’efficienza complessiva di conversione del 15% sarà quindi in grado di fornire circa 13.5W di energia elettrica di picco. A surface of 300x300 mm corresponds to 0.09 m, which therefore offers a capturing capacity of about 90W of solar radiant energy if correctly exposed in an optimal way, and considering an overall conversion efficiency of 15% it will therefore be able to provide about 13.5W of peak electricity.
Il circuito convertitore di energia incorporato nell’elemento ceramico fornirà quindi una uscita a valore costante, nell’esempio non limitativo di circa 36V, fornendo inoltre una protezione contro i corti circuiti, i sovraccarichi e le scariche atmosferiche, con la caratteristica vantaggiosa di mettere eventualmente fuori servizio il singolo modulo che dovesse risultare mal funzionante (che potrà essere sostituito in un secondo tempo) senza interrompere il servizio dell’intero impianto. Questo valore di tensione è sufficientemente basso da essere considerato come intrinsecamente sicuro (SELV = Safety Extra Low Voltage) e, unitamente al collegamento in parallelo dei moduli, riduce i rischi per gli operatori che installano i moduli. The energy converter circuit incorporated in the ceramic element will therefore provide a constant value output, in the non-limiting example of about 36V, also providing protection against short circuits, overloads and atmospheric discharges, with the advantageous characteristic of possibly putting out of service the single module that should be malfunctioning (which can be replaced at a later time) without interrupting the service of the entire system. This voltage value is low enough to be considered as intrinsically safe (SELV = Safety Extra Low Voltage) and, together with the parallel connection of the modules, reduces the risks for the operators installing the modules.
Un ulteriore vantaggio del modulo secondo il trovato è costituito dal migliore isolamento termico dell’ edificio che fa uso di questo tipo di piastrelle, a causa dell’ intercapedine tra i moduli e la parete dell’ edificio a cui sono fissati. A further advantage of the module according to the invention is the better thermal insulation of the building that makes use of this type of tiles, due to the gap between the modules and the wall of the building to which they are fixed.
Breve descrizione dei disegni Brief description of the drawings
La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui: The present invention will now be described with reference to the attached drawings, which illustrate a non-limiting example of embodiment, in which:
- La figura 1 illustra schematicamente il modulo fotovoltaico secondo il trovato visto dal davanti e fissato ad una struttura di sostegno. Figure 1 schematically illustrates the photovoltaic module according to the invention seen from the front and fixed to a support structure.
- La figura 2 illustra schematicamente il modulo fotovoltaico di fig. 1, visto dal retro - Figure 2 schematically illustrates the photovoltaic module of fig. 1, seen from the back
- La figura 3 è la sezione in dettaglio di una preferita soluzione realizzativa dei mezzi di fissaggio del modulo fotovoltaico alla relativa struttura di sostegno . Figure 3 is the detailed section of a preferred embodiment of the means for fixing the photovoltaic module to the relative support structure.
- La figura 4 è una sezione ingrandita e non in scala del modulo fotovoltaico secondo il trovato, che evidenzia gli elementi costruttivi più importanti della superficie attiva. - La figura 4a è un particolare ingrandito di fig. 4 . Figure 4 is an enlarged section, not to scale, of the photovoltaic module according to the invention, which highlights the most important constructive elements of the active surface. - Figure 4a is an enlarged detail of fig. 4.
- La figura 5 illustra uno schema a blocchi del convertitore di tensione. - Figure 5 illustrates a block diagram of the voltage converter.
- La figura 6 illustra uno schema a blocchi del pannello fotovoltaico, composto da più moduli, e delle relative connessioni elettriche. - Figure 6 illustrates a block diagram of the photovoltaic panel, made up of several modules, and of the relative electrical connections.
- La figura 7 è un ingrandimento di figura 1. - Figure 7 is an enlargement of Figure 1.
Con riferimento alle figure anzidette, con il numero (1) è indicato, nel suo complesso, un modulo fotovoltaico monolitico idoneo alla captazione di energia luminosa radiante ed alla sua conversione in energia elettrica. With reference to the aforementioned figures, the number (1) indicates, as a whole, a monolithic photovoltaic module suitable for capturing radiant light energy and its conversion into electrical energy.
Il modulo (1) comprende, nella sua costituzione più generale: - una superficie attiva (2) nella quale è incorporato l’elemento (7) fotovoltaico costituente almeno una cella (5) fotovoltaica; The module (1) includes, in its more general constitution: - an active surface (2) in which the photovoltaic element (7) constituting at least one photovoltaic cell (5) is incorporated;
- una struttura di supporto (3); - a support structure (3);
- mezzi di fissaggio (6) per il suo facile ancoraggio alla relativa struttura di sostegno (4). - fastening means (6) for its easy anchoring to the relative support structure (4).
- un circuito elettronico (9) di protezione del modulo e di conversione dell’energia elettrica, ed i relativi mezzi di connessione elettrica (10). - an electronic circuit (9) for the protection of the module and for the conversion of electricity, and the relative means of electrical connection (10).
Detta struttura di supporto meccanico (3) è preferibilmente in materiale ceramico e presenta una forma quadrata di circa 300x300 mm, con la superficie attiva (2) rivolta verso l’esterno ed atta a ricevere la luce e convertirla in energia elettrica. Said mechanical support structure (3) is preferably made of ceramic material and has a square shape of about 300x300 mm, with the active surface (2) facing outwards and capable of receiving light and converting it into electricity.
In una concavità preferibilmente posta nella parte posteriore il supporto (3) ha una sede (8) atta a contenere il circuito elettronico (9) che svolge le funzioni di protezione del modulo e di convertitore di tensione. In a concavity preferably located in the rear part, the support (3) has a seat (8) suitable for containing the electronic circuit (9) which performs the functions of protection of the module and of voltage converter.
Lo stesso supporto (3) reca posteriormente i mezzi (6) di fissaggio, che ne consentono l’ancoraggio alla struttura (4) di sostegno. The same support (3) bears the fixing means (6) at the rear, which allow it to be anchored to the support structure (4).
Il circuito elettronico (9) dispone di connessioni elettriche (10, 20) che consentono la connessione di ciascun modulo (1) almeno parzialmente in parallelo agli altri moduli (1) che compongono il pannello fotovoltaico ed ai mezzi di accumulo dell’energia elettrica non illustrati, oppure all’eventuale convertitore di tensione (21) che adatta la tensione e la frequenza dell’energia elettrica generata a valori idonei all 'utilizzo su una rete (22) esterna. The electronic circuit (9) has electrical connections (10, 20) that allow the connection of each module (1) at least partially in parallel to the other modules (1) that make up the photovoltaic panel and to the means of storing electrical energy not illustrated, or to any voltage converter (21) which adapts the voltage and frequency of the electricity generated to values suitable for use on an external network (22).
Il supporto (3) del modulo fotovoltaico (1) è costituito da un elemento in materiale ceramico realizzato preferibilmente per stampaggio di un impasto argilloso umido e successiva essiccazione e cottura in forno. The support (3) of the photovoltaic module (1) consists of an element in ceramic material preferably made by molding a damp clayey mixture and subsequent drying and baking in the oven.
In una realizzazione alternativa il supporto (3) può essere realizzato in altri materiali in particolare in materiale vetroso. Come ulteriori alternative possibili ma non preferite, il supporto (3) può essere realizzato mediante un’ampia varietà di altri materiali, come cemento, o resine termoplastiche o termoindurenti stampate. In an alternative embodiment, the support (3) can be made of other materials, in particular of glassy material. As further possible but not preferred alternatives, the support (3) can be made using a wide variety of other materials, such as cement, or molded thermoplastic or thermosetting resins.
Nell’ esempio realizzativo non limitante descritto, la parte rivolta verso l’esterno presenta una superficie approssimativamente piana e liscia, mentre la parte rivolta verso l’interno presenta idonei mezzi (6) di fissaggio meccanico con caratteristiche di modularità, ed almeno una sede (8) idonea ad ospitare un circuito (9) elettronico di protezione del modulo e di conversione dell’energia elettrica, ed i relativi mezzi (10) di connessione elettrica. In the non-limiting embodiment described, the outward facing part has an approximately flat and smooth surface, while the inward facing part has suitable mechanical fixing means (6) with modularity characteristics, and at least one seat ( 8) suitable for housing an electronic module protection and electrical energy conversion circuit (9), and the relative electrical connection means (10).
In particolare, i mezzi (6) di fissaggio meccanico alla struttura di sostegno (4) potranno essere convenientemente ottenuti ad esempio con inserti (11) metallici filettati inglobati entro opportune cavità (12 ) del supporto (3) ceramico mediante opportune resine (13), ad esempio Araldite. In particular, the mechanical fixing means (6) to the support structure (4) can be conveniently obtained, for example, with threaded metal inserts (11) incorporated into suitable cavities (12) of the ceramic support (3) by means of suitable resins (13). , for example Araldite.
In detti inserti (11) filettati si impegnano perni (14) filettati per effettuare il fissaggio meccanico alla struttura di sostegno (4). In altre forme realizzative non illustrate i mezzi (6) di fissaggio potranno alternativamente essere ad esempio degli inserti o dei perni o dei sistemi ad incastro bloccati entro opportune sedi o inglobati nel supporto ceramico con mezzi meccanici o per mezzo di opportune resine, ad esempio Araldite, oppure potranno essere realizzati direttamente dal materiale ceramico del supporto (3). Threaded pins (14) engage in said threaded inserts (11) to perform mechanical fastening to the support structure (4). In other embodiments not shown, the fixing means (6) may alternatively be, for example, inserts or pins or interlocking systems blocked within suitable seats or incorporated in the ceramic support by mechanical means or by means of suitable resins, for example Araldite , or they can be made directly from the ceramic material of the support (3).
Benché tale soluzione sia ritenuta meno conveniente, è possibile realizzare la struttura di sostegno (4) in modo che possa incorporare o costituire essa stessa anche le linee di connessione (20) elettrica ai mezzi di connessione (10) esterni del modulo (1) stesso, per il collegamento ai sistemi di accumulo non illustrati o all’ in verter (21). Although this solution is considered less convenient, it is possible to make the support structure (4) so that it can also incorporate or constitute itself the electrical connection lines (20) to the external connection means (10) of the module (1) itself. , for connection to storage systems not illustrated or to the in verter (21).
La superficie (2) attiva del modulo (1) fotovoltaico presenta un elemento (7) fotovoltaico costituente almeno una cella (5) fotovoltaica, e preferibilmente un numero di celle (5) compreso tra nove e sedici, preferibilmente interconnesse tra loro in serie. The active surface (2) of the photovoltaic module (1) has a photovoltaic element (7) constituting at least one photovoltaic cell (5), and preferably a number of cells (5) comprised between nine and sixteen, preferably interconnected in series.
Allo scopo di permettere i successivi processi di placcatura galvanica, il substrato ceramico o vetroso costituente il supporto (3) viene reso conduttore con la formazione di un film (15) conduttore aderente al supporto (3) ceramico o vetroso, come mostrato in fig. 4a. In order to allow the subsequent galvanic plating processes, the ceramic or glass substrate constituting the support (3) is made conductive with the formation of a conductive film (15) adhering to the ceramic or glass support (3), as shown in fig. 4a.
Nella soluzione realizzativa preferita, nel caso si utilizzi come supporto (3) un materiale avente una superficie idrofila il film (15) conduttore potrà convenientemente essere costituito da biossido di manganese; nel caso invece si utilizzi come supporto (3) un materiale avente una superficie idrorepellente, il film (15) conduttore potrà convenientemente essere costituito da nanotubi di carbonio. In the preferred embodiment solution, if a material having a hydrophilic surface is used as a support (3), the conducting film (15) can conveniently consist of manganese dioxide; if, on the other hand, a material having a water-repellent surface is used as a support (3), the conductive film (15) can conveniently consist of carbon nanotubes.
Sul substrato ceramico o vetroso costituente il supporto (3) e reso conduttivo dal film (15) è quindi depositata per via galvanica una prima placcatura (16a) metallica, preferibilmente in rame, la quale contemporaneamente costituisce la base per la realizzazione degli elettrodi delle singole celle fotovoltaiche e dei collegamenti necessari a connetterle tra loro. Grazie all’elevata purezza del deposito metallico ottenuto per via galvanica, tale prima placcatura metallica (16a) esplica anche la funzione supplementare di isolare chimicamente gli strati attivi di semiconduttore (17) dal supporto (3) ceramico che si suppone essere relativamente ricco di impurità indesiderate. Una seconda placcatura (16b) metallica, preferibilmente in nickel, è depositata per via galvanica sulla prima placcatura (16a) metallica, ed ha la funzione meccanica di fornire un sostegno adeguato al materiale semiconduttore (17) costituente l’elemento (7) fotovoltaico. On the ceramic or glass substrate constituting the support (3) and made conductive by the film (15) a first metal plating (16a) is then deposited by galvanic process, preferably in copper, which at the same time forms the basis for the realization of the electrodes of the individual photovoltaic cells and the connections necessary to connect them together. Thanks to the high purity of the metallic deposit obtained by electroplating, this first metal plating (16a) also performs the additional function of chemically isolating the active semiconductor layers (17) from the ceramic support (3) which is supposed to be relatively rich in impurities. unwanted. A second metal plating (16b), preferably in nickel, is galvanically deposited on the first metal plating (16a), and has the mechanical function of providing adequate support to the semiconductor material (17) constituting the photovoltaic element (7).
Una eventuale terza placcatura metallica (16c) , preferibilmente in oro o altro metallo nobile, è depositata per via galvanica o chimica sulla seconda placcatura (16b) metallica, ed ha la eventuale funzione di protezione chimica della superficie della seconda placcatura, oltre che la eventuale funzione di fornire un reticolo cristallino con un interasse atomico adeguato alla crescita cristallina del materiale semiconduttore (17) che costituisce l’elemento (7) fotovoltaico. A possible third metal plating (16c), preferably in gold or other noble metal, is deposited by galvanic or chemical way on the second metal plating (16b), and has the possible function of chemical protection of the surface of the second plating, as well as the eventual function of providing a crystal lattice with an atomic spacing suitable for the crystalline growth of the semiconductor material (17) which constitutes the photovoltaic element (7).
Gli elementi semiconduttori sono realizzati come film sottile ottenuto per deposizione chimica in fase di vapore di silicio di adeguata purezza nel quale vengono introdotte quantità accuratamente controllate di impurità di elementi del terzo e del quinto gruppo della tavola periodica, come arsenico e fosforo (V gruppo) e alluminio e boro (III gruppo). Gli elementi suddetti sono deposti sulla superficie delle placcature (16a,16b e 16c) metalliche selettive che ne costituiscono l’elettrodo posteriore, e sono connessi tra loro mediante un elettrodo (18) trasparente costituito da una miscela di ossidi metallici come Indio e Stagno, preferibilmente con una composizione del 90% circa di ossido di Indio (ln203) e del 10% di ossido di Stagno (Sn02), comunemente conosciuta come ITO, oppure da uno strato di nanotubi di carbonio, e da una eventuale ulteriore placcatura (23) metallica selettiva formante una griglia tale da coprire una superficie di circa il 5% dell’area attiva di ciascuna cella (5) elementare costituente l’elemento fotovoltaico (7). The semiconductor elements are made as a thin film obtained by chemical vapor deposition of silicon of adequate purity into which carefully controlled quantities of impurities of elements of the third and fifth groups of the periodic table are introduced, such as arsenic and phosphorus (V group) and aluminum and boron (III group). The aforementioned elements are deposited on the surface of the selective metal plating (16a, 16b and 16c) that make up the rear electrode, and are connected to each other by means of a transparent electrode (18) consisting of a mixture of metal oxides such as Indium and Tin, preferably with a composition of about 90% of Indium oxide (ln203) and 10% of tin oxide (Sn02), commonly known as ITO, or from a layer of carbon nanotubes, and from a possible further plating (23) selective metal forming a grid such as to cover a surface of about 5% of the active area of each elementary cell (5) constituting the photovoltaic element (7).
L’elemento semiconduttore (17) può essere infine protetto da uno strato (24) trasparente come ad esempio poli-metilmetacrilato (PMMA) o nitruro di silicio. The semiconductor element (17) can finally be protected by a transparent layer (24) such as poly-methylmethacrylate (PMMA) or silicon nitride.
Nell’esempio non limitativo proposto la sequenza di strati è, partendo dal substrato (3) ceramico o vetroso con uno spessore di alcuni millimetri e preferibilmente compreso tra 1 e 20 millimetri; In the proposed non-limiting example, the sequence of layers is, starting from the ceramic or glass substrate (3) with a thickness of a few millimeters and preferably between 1 and 20 millimeters;
- di un primo strato (15) conduttore, dello spessore di centinaia di nanometri, preferibilmente costituito da biossido di manganese (Mn02) o da nanotubi di carbonio; - a first conductive layer (15), hundreds of nanometers thick, preferably consisting of manganese dioxide (Mn02) or carbon nanotubes;
- di un secondo strato (16a) di rame con uno spessore dell’ordine della decina di micrometri e preferibilmente compreso tra 1 e 50 micrometri; - of a second layer (16a) of copper with a thickness of the order of tens of micrometers and preferably between 1 and 50 micrometers;
- di un terzo strato (16b) di nickel dello spessore dell’ordine della decina di micrometri e preferibilmente compreso tra 1 e 50 micrometri; - a third layer (16b) of nickel with a thickness of about ten micrometers and preferably between 1 and 50 micrometers;
- di un eventuale quarto strato (16c) di oro dello spessore dell’ordine di un micrometro e preferibilmente compreso tra 0,05 e 10 micrometri; - of a possible fourth layer (16c) of gold with a thickness of the order of a micrometer and preferably between 0.05 and 10 micrometers;
- di uno strato (17) di semiconduttore realizzante almeno una giunzione fotovoltaica, preferibilmente costituito da silicio in forma cristallina o microcristallina o amorfa, con uno spessore compreso tra qualche decina e qualche centinaio di nanometri e preferibilmente compreso tra 10 e 400 nanometri; - of a semiconductor layer (17) forming at least one photovoltaic junction, preferably consisting of silicon in crystalline or microcrystalline or amorphous form, with a thickness comprised between a few tens and a few hundred nanometers and preferably comprised between 10 and 400 nanometers;
- di un elettrodo (18) conduttore trasparente di ossidi di indio e stagno (ITO), su cui è realizzata una ulteriore placcatura (23) metallica selettiva di alluminio con uno spessore preferibilmente compreso tra 0,1 e 5 micrometri; - of an electrode (18) transparent conductor of indium tin oxides (ITO), on which a further selective metallic aluminum plating (23) with a thickness preferably comprised between 0.1 and 5 micrometers is made;
- di un ulteriore strato (24) protettivo trasparente di polimetil-metacrilato (ΡΜΜΑ) ο nitruro di silicio. - of a further transparent protective layer (24) of polymethyl methacrylate (ΡΜΜΑ) ο silicon nitride.
La superficie (2) attiva del modulo (1) fotovoltaico è preferibilmente protetta da una ulteriore adeguata protezione meccanica trasparente, preferibilmente costituita da una lastra di vetro (19) opportunamente fissata alla struttura del substrato (3) ceramico ad esempio sigillandone i bordi con un adeguata resina poliestere o poliuretanica o siliconica non illustrata. Tra la lastra di vetro (19) ed il complesso fotovoltaico (15,16,17,18) è opportuno lasciare una intercapedine (25). Per ottimizzare l’efficienza ottica tale intercapedine (25) potrà essere preferibilmente riempita da una sostanza trasparente con indice di rifrazione intermedio tra quello della lastra di vetro (19) e quella dello strato (24) protettivo dell’ elettrodo (18) trasparente, oppure per una maggiore semplicità di realizzazione potrà essere riempita da almeno un gas, ad esempio Azoto (N2) a pressione approssimativamente vicina a quella ambiente. The active surface (2) of the photovoltaic module (1) is preferably protected by a further adequate transparent mechanical protection, preferably constituted by a glass plate (19) suitably fixed to the structure of the ceramic substrate (3), for example by sealing its edges with a suitable polyester or polyurethane or silicone resin not shown. Between the glass plate (19) and the photovoltaic complex (15,16,17,18) it is advisable to leave a gap (25). To optimize the optical efficiency, this gap (25) can preferably be filled with a transparent substance with an intermediate refractive index between that of the glass plate (19) and that of the protective layer (24) of the transparent electrode (18), or for greater simplicity of construction, it can be filled with at least one gas, for example Nitrogen (N2) at a pressure approximately close to the ambient one.
In pratica, poiché sia la lastra di vetro (19) che il PMMA che costituisce lo strato (24) di protezione dell’elettrodo (18) trasparente hanno un indice di rifrazione di circa 1,45, la scelta cadrà preferibilmente su una sostanza di riempimento con indice di rifrazione vicino a questo valore. In practice, since both the glass plate (19) and the PMMA which constitutes the protective layer (24) of the transparent electrode (18) have a refractive index of about 1.45, the choice will preferably fall on a substance of filling with refractive index close to this value.
Nella soluzione preferita ed illustrata il semiconduttore (17) che costituisce l’elemento attivo dell’elemento fotovoltaico (7) è realizzato come film sottile, e preferibilmente per deposizione in fase di vapore di silicio ottenuto per decomposizione ad alta temperatura da un gas di silano (Si:H), come meglio spiegato più avanti. In the preferred and illustrated solution, the semiconductor (17) which constitutes the active element of the photovoltaic element (7) is made as a thin film, and preferably by vapor phase deposition of silicon obtained by decomposition at high temperature from a silane gas (Yes: H), as better explained below.
In una diversa configurazione possibile nel caso si utilizzi come supporto (3) un materiale vetroso, è possibile utilizzare come superficie attiva (2) del semiconduttore (17) costituente Γ elemento fotovoltaico (7) il lato rivolto verso il supporto (3). In questo caso, il supporto (3) essendo trasparente può essere rivolto verso la sorgente di luce. In a different configuration, if a glassy material is used as a support (3), it is possible to use the side facing the support (3) as the active surface (2) of the semiconductor (17) constituting the photovoltaic element (7). In this case, the support (3) being transparent can face the light source.
In una diversa configurazione possibile non illustrata, il semiconduttore (17) che costituisce Γ elemento (7) fotovoltaico suddetto può essere costituite da tradizionali celle fotovoltaiche commerciali realizzate in silicio o in altri materiali semiconduttori, come arseniuro di gallio, tellururo di cadmio, germanio, eccetera, applicate al supporto (3) ceramico analogamente a quanto correntemente in uso nella costruzione dei pannelli fotovoltaici nei quali viene effettuato il montaggio delle celle fotovoltaiche su un supporto (circuito stampato) in film ramato di Tediar o materiali simili, con le normali tecniche di laminazione, di brasatura dolce con lega saldante a bassa temperatura, oppure mediante resine o adesivi elettricamente conduttori. In a different possible configuration not illustrated, the semiconductor (17) that constitutes the above photovoltaic element (7) can be constituted by traditional commercial photovoltaic cells made of silicon or other semiconductor materials, such as gallium arsenide, cadmium telluride, germanium, etc., applied to the ceramic support (3) similarly to what is currently used in the construction of photovoltaic panels in which the photovoltaic cells are mounted on a support (printed circuit) in Tediar copper film or similar materials, with the normal techniques of lamination, soft brazing with low temperature solder, or electrically conductive resins or adhesives.
Il circuito (9) convertitore di tensione può essere convenientemente realizzato con tecniche note, in un esempio non limitativo le topologie quasi risonante, flyback o Sepie sono largamente conosciute come idonne a configurare un circuito survoltore ad ingresso induttivo, intrinsecamente sicuro contro i corti circuiti e i sovraccarichi. The voltage converter circuit (9) can be conveniently made with known techniques, in a non-limiting example the quasi-resonant, flyback or Sepie topologies are widely known as suitable for configuring a booster circuit with inductive input, intrinsically safe against short circuits and overloads.
Non si ritiene necessario scendere nel dettaglio della descrizione di un convertitore di tale tipo in quanto ampiamente noto al tecnico del settore. It is not considered necessary to go into detail in the description of a converter of this type as it is widely known to those skilled in the art.
La configurazione del survoltore con ingresso induttivo, ed in particolare nella configurazione nota come CURRENT MODE, fornisce alcuni importanti vantaggi: The configuration of the booster with inductive input, and in particular in the configuration known as CURRENT MODE, provides some important advantages:
- la sicurezza intrinseca contro il rischio di cortocircuito in quanto Γ energia trasmessa all’ uscita ad ogni ciclo non può eccedere quella massima accumulabile nell’induttore durante la fase di conduzione dell’elemento interruttore; - intrinsic safety against the risk of short circuit as the energy transmitted to the output at each cycle cannot exceed the maximum that can be accumulated in the inductor during the conduction phase of the switch element;
- la presenza di un diodo in uscita protegge il circuito e il relativo elemento fotovoltaico dalla circolazione di correnti inverse in caso di squilibri del sistema fotovoltaico, ad esempio come accade quando una parte delle celle (5) costituenti l’elemento fotovoltaico (7) sono illuminate dalla luce solare ed altre sono in ombra. A causa della tensione relativamente bassa generata dalle celle nel modulo descritto, l’uso di una configurazione a survoltore (step-up) permette di ottenere una tensione più alta ed una corrente più bassa, idonee per una facile connessione di diversi moduli in parallelo nella realizzazione di un pannello solare. - the presence of an output diode protects the circuit and the relative photovoltaic element from the circulation of reverse currents in the event of imbalances of the photovoltaic system, for example as happens when a part of the cells (5) constituting the photovoltaic element (7) are illuminated by sunlight and others are in shadow. Due to the relatively low voltage generated by the cells in the described module, the use of a step-up configuration allows to obtain a higher voltage and a lower current, suitable for an easy connection of several modules in parallel in the making a solar panel.
Per tali motivi un sistema che adotti un convertitore di tipo BOOST su ciascun elemento fotovoltaico permette una facile connessione degli elementi in parallelo sullo stesso carico, tenendo relativamente bassa e quindi più sicura per gli operatori la tensione di lavoro deirimpianto. For these reasons, a system that adopts a BOOST converter on each photovoltaic element allows an easy connection of the elements in parallel on the same load, keeping the working voltage of the system relatively low and therefore safer for the operators.
Il circuito convertitore (9) può essere convenientemente realizzato separatamente con tecniche note, nell’ esempio non limitativo può essere adottata la configurazione di un convertitore a commutazione di tipo BOOST. Uno schema a blocchi di questo circuito è mostrato in figura 5. The converter circuit (9) can conveniently be made separately with known techniques, in the non-limiting example the configuration of a switching converter of the BOOST type can be adopted. A block diagram of this circuit is shown in figure 5.
Nel caso si utilizzi come supporto (3) un materiale di tipo ceramico, qualsiasi tecnico del ramo è capace di realizzare con le normali tecniche di stampaggio di un impasto argilloso umido e successiva essiccazione, cottura e lavorazioni note, un supporto (3) nella forma e dimensioni desiderate, ad esempio di forma approssimativamente quadrata con una superficie esterna relativamente piana e liscia ed atta ad ospitare gli elementi fotovoltaici, ed una superficie posteriore in grado di ospitare in opportune sedi il circuito elettronico (9) i mezzi di fissaggio (6) ed i mezzi di collegamento (10). If a ceramic-type material is used as support (3), any skilled in the art is able to produce a support (3) in the form and desired dimensions, for example of an approximately square shape with a relatively flat and smooth external surface suitable for housing the photovoltaic elements, and a rear surface capable of housing the electronic circuit (9) and the fixing means (6) in suitable seats and the connecting means (10).
Nei punti prestabiliti nei quali si vuole ottenere il collegamento elettrico tra la superficie anteriore ospitante Γ elemento fotovoltaico (7) e la superficie posteriore ospitante il circuito elettronico (9) ed i mezzi di collegamento (10) verranno predisposti dei fori opportunamente dimensionati per numero e diametro per sopportare la corrente prevista. In the predetermined points in which the electrical connection is to be obtained between the front surface hosting the photovoltaic element (7) and the rear surface hosting the electronic circuit (9) and the connection means (10), holes will be prepared suitably sized for number and diameter to withstand the expected current.
Se la superficie del supporto ceramico (3) è idrofila, lo strato conduttore (15) necessario per i successivi processi galvanici potrà essere convenientemente ottenuto mediante un film di biossido di manganese, come è pratica corrente nell 'industria dei circuiti stampati e dei circuiti ibridi a film spesso. Esso può essere ottenuto dalla reazione di un permanganato di sodio o di potassio in soluzione acquosa, con eventuale aggiunte di piccole quantità di additivi e correttori del pH, con una sostanza organica, ad esempio glucosio, precedentemente adsorbito nella porosità del supporto (3) ceramico. If the surface of the ceramic support (3) is hydrophilic, the conductive layer (15) necessary for the subsequent galvanic processes can be conveniently obtained by means of a manganese dioxide film, as is common practice in the printed circuit and hybrid circuit industry. thick film. It can be obtained from the reaction of a sodium or potassium permanganate in aqueous solution, with the possible addition of small quantities of additives and pH correctors, with an organic substance, for example glucose, previously adsorbed in the porosity of the ceramic support (3). .
Se la superficie del supporto ceramico (3) è idrorepellente, come in alcune ceramiche vetrose (gres), lo strato conduttore (15) può essere facilmente ottenuto spruzzando e quindi essiccando una soluzione colloidale di nanotubi di carbonio. Analogamente, nel caso invece si utilizzi come supporto (3) un vetro, qualsiasi tecnico del ramo è capace di realizzare con le normali tecniche di stampaggio a caldo o colata e lavorazioni note, un supporto (3) nella forma e dimensioni desiderate come sopra descritto. If the surface of the ceramic support (3) is water-repellent, as in some vitreous ceramics (stoneware), the conductive layer (15) can be easily obtained by spraying and then drying a colloidal solution of carbon nanotubes. Similarly, if glass is used as a support (3), any skilled in the art is able to produce a support (3) in the desired shape and size as described above with the usual hot forging or casting techniques and known processes. .
Nella soluzione realizzativa preferita, anche nel caso di scelga per il supporto (3) un vetro, il primo strato (15) conduttore potrà essere depositato spruzzando e quindi essiccando una soluzione colloidale di nanotubi di carbonio. In the preferred embodiment solution, even if a glass is selected for the support (3), the first conductive layer (15) can be deposited by spraying and then drying a colloidal solution of carbon nanotubes.
In una variante possibile ma non preferita, il primo strato (15) conduttore potrà essere depositato per evaporazione sotto vuoto o sputtering di un metallo, con tecniche note nell’industria vetraria. In a possible but not preferred variant, the first conductive layer (15) can be deposited by evaporation under vacuum or sputtering of a metal, with techniques known in the glass industry.
Il supporto (3) ceramico o vetroso reso conduttivo in superficie per mezzo dello strato (15) è quindi connesso al circuito anodico di una cella galvanica ed è ricoperta da uno strato di rame di spessore dell’ ordine della decina di micron mediante trattamento in soluzioni di sali di rame, con catodo di rame. In una ulteriore possibile variante costruttiva, il supporto (3) ceramico oppure vetroso potrà essere rivestito direttamente dallo strato di rame (16a) per semplice incollaggio del foglio di rame sulla superficie del supporto (3) stesso. In questo caso non è necessario realizzare preventivamente lo strato (15) conduttivo. The ceramic or glass support (3) made conductive on the surface by means of the layer (15) is then connected to the anodic circuit of a galvanic cell and is covered with a copper layer with a thickness of about ten microns by treatment in solutions of copper salts, with copper cathode. In a further possible construction variant, the ceramic or glass support (3) can be directly coated by the copper layer (16a) by simply gluing the copper sheet on the surface of the support (3) itself. In this case it is not necessary to make the conductive layer (15) in advance.
Analogamente a quanto realizzato correntemente nella tecnica nota per la fabbricazione dei circuiti stampati, sul supporto (3) può essere applicato uno strato protettivo. Solitamente per tale scopo si preferisce laminare un fotoresist (dry film) ma si possono utilizzare vernici applicate per serigrafia o con altri mezzi. Dipendentemente dall’ ottimizzazione del processo produttivo, potranno essere utilizzate anche più tecniche contemporaneamente, ad esempio la protezione della superficie può essere ottenuta applicando una vernice a spruzzo nella parte posteriore del supporto (3) e con un fotoresist nella parte anteriore. Similarly to what is currently implemented in the known art for the manufacture of printed circuits, a protective layer can be applied to the support (3). Usually for this purpose it is preferred to laminate a photoresist (dry film) but paints applied by screen printing or by other means can be used. Depending on the optimization of the production process, several techniques can also be used at the same time, for example the protection of the surface can be obtained by applying a spray paint on the back of the support (3) and with a photoresist on the front.
Nel caso di applicazione di un fotoresist, il disegno del circuito relativo per la suddivisione dell’ elemento fotovoltaico nelle singole celle solari e per il loro collegamento, viene ottenuto mediante esposizione fotografica e successivo sviluppo, con tecniche note. In the case of application of a photoresist, the design of the relative circuit for the subdivision of the photovoltaic element into the individual solar cells and for their connection, is obtained by photographic exposure and subsequent development, with known techniques.
È importante notare che nel caso il supporto (3) sia di tipo ceramico, a causa della sua naturale porosità è necessario che esso sia protetto suH’intera superficie o dalla superficie ramata o da opportuni materiali coprenti, sia allo scopo di evitare assorbimento dei bagni chimici e galvanici da parte del materiale ceramico, sia per evitare il rilascio di inquinanti e polveri durante i processi di lavorazione. It is important to note that if the support (3) is of the ceramic type, due to its natural porosity it is necessary that it be protected on the entire surface or by the copper surface or by suitable covering materials, both in order to avoid absorption of the baths. chemical and galvanic by the ceramic material, both to avoid the release of pollutants and dust during the manufacturing processes.
Il supporto (3) ramato e protetto in superficie per mezzo del fotoresist può essere quindi connesso al circuito anodico di una cella galvanica ed essere ricoperto per trattamenti successivi da uno strato di nickel di spessore dell’ ordine della decina di micron The copper-plated support (3) protected on the surface by means of the photoresist can then be connected to the anodic circuit of a galvanic cell and be covered for subsequent treatments by a layer of nickel with a thickness of about ten microns
Lo strato di nickel può essere ulteriormente ricoperto da uno strato di oro dello spessore dell’ordine del micron, mediante processi galvanici oppure chimici largamente usati in ambito industriale. The nickel layer can be further covered with a layer of gold with a thickness of the order of a micron, by means of galvanic or chemical processes widely used in the industrial field.
Il primo fotoresist a questo punto viene rimosso e con un attacco chimico viene eliminato il rame non necessario, vengono quindi definite le aree conduttive e quelle isolanti sulla superficie del supporto (3), realizzando una placcatura selettiva che finisce grossomodo per assomigliare ad un circuito stampato. At this point the first photoresist is removed and with a chemical attack the unnecessary copper is eliminated, the conductive and insulating areas are then defined on the surface of the support (3), creating a selective plating that ends up roughly resembling a printed circuit .
Viene quindi applicata una ulteriore mascheratura per mezzo di un fotoresist, tale da lasciare scoperte le sole aree relative alla superficie attiva delle singole celle (5) costituenti Γ elemento fotovoltaico (7), area che coinciderà con l’elettrodo posteriore delle celle (5) stesse. A further masking is then applied by means of a photoresist, such as to leave uncovered only the areas relating to the active surface of the individual cells (5) constituting the photovoltaic element (7), an area that will coincide with the rear electrode of the cells (5) same.
Secondo il metodo preferito, mediante apposite macchine viene deposto il materiale semiconduttore con la tecnica nota come deposizione in fase di vapore. Si tratta di un processo effettuato in condizioni di pressione relativamente bassa dell’ordine di IO<"4>- IO<"5>Torr, nel corso del quale un gas contenente le sostanze desiderate condensa in forma cristallina sulla superficie metallica esposta. Per ottenere la deposizione del semiconduttore che formerà Γ elemento fotovoltaico (7) si preferisce utilizzare un gas di silano (Si:H) eventualmente addizionato di idrogeno (H2). Per decomposizione su un filo di tungsteno ad elevata temperatura, il gas di silano si decompone in silicio allo stato atomico e idrogeno. Il silicio si deposita pertanto sulle superfici metalliche scoperte del supporto. Una precisa regolazione dei parametri di lavoro è essenziale allo scopo di ottenere una deposizione di silicio in forma cristallina con una giusta dimensione dei grani. Sono state identificate come condizioni ottimali del processo una percentuale di silano del 20% e di idrogeno dell’ 80% e una temperatura di deposizione compresa tra i 280 ed i 500 °C. According to the preferred method, the semiconductor material is deposited by means of suitable machines with the technique known as vapor phase deposition. It is a process carried out under relatively low pressure conditions of the order of IO <"4> - IO <" 5> Torr, during which a gas containing the desired substances condenses in crystalline form on the exposed metal surface. To obtain the deposition of the semiconductor that will form Γ photovoltaic element (7) it is preferred to use a silane gas (Si: H) possibly added with hydrogen (H2). By decomposition on a high temperature tungsten wire, the silane gas decomposes into atomic silicon and hydrogen. The silicon is therefore deposited on the bare metal surfaces of the support. A precise adjustment of the working parameters is essential in order to obtain a deposition of silicon in crystalline form with the right grain size. A percentage of silane of 20% and of hydrogen of 80% and a deposition temperature between 280 and 500 ° C have been identified as optimal conditions of the process.
Nel corso della stessa operazione di deposizione del silicio vengono immessi anche i droganti, costituiti da almeno un elemento chimico appartenente al III gruppo ed uno appartenente al V gruppo della Tavola Periodica, per la realizzazione dei due diversi semiconduttori N e P. During the same silicon deposition operation the dopants are also introduced, consisting of at least one chemical element belonging to the III group and one belonging to the V group of the Periodic Table, for the realization of the two different semiconductors N and P.
Per ottimizzare Γ efficienza di conversione è opportuno che il profilo della giunzione abbia un grado di drogaggio, dall’elettrodo anodo al catodo, prima progressivamente decrescente poi nullo e quindi progressivamente crescente in senso opposto, ciò massimizza l’area attiva di cattura fotonica e quindi Γ efficienza di conversione dell’ effetto fotovoltaico dell’elemento semiconduttore. To optimize Γ conversion efficiency, the junction profile should have a degree of doping, from the anode electrode to the cathode, first progressively decreasing then zero and then progressively increasing in the opposite direction, this maximizes the active photonic capture area and therefore Γ conversion efficiency of the photovoltaic effect of the semiconductor element.
In una variante non preferita del processo, è possibile depositare il silicio in forma amorfa e poi ottenerne la ricristallizzazione mediante una breve esposizione ad una temperatura elevata. Ciò può essere convenientemente ottenuto applicando una pasta a base di silicio in forma di SiC ad esempio a mezzo di serigrafia, e dopo essiccazione ottenere la ricristallizzazione ad una temperatura relativamente bassa mantenendo il supporto ceramico ad una temperatura dell’ordine dei 500°C ed esponendo la superficie del silicio a impulsi LASER di adeguata potenza per ottenere la ricristallizzazione del semiconduttore. In a non-preferred variant of the process, it is possible to deposit the silicon in amorphous form and then obtain its recrystallization by means of a brief exposure to a high temperature. This can be conveniently obtained by applying a silicon-based paste in the form of SiC, for example by means of screen printing, and after drying, obtain the recrystallization at a relatively low temperature, keeping the ceramic support at a temperature of the order of 500 ° C and exposing the surface of the LASER pulsed silicon of adequate power to obtain the recrystallization of the semiconductor.
Si ritiene comunque preferibile la deposizione di silicio direttamente in forma cristallina in quanto l’operazione risulta più semplice anche se relativamente più lenta. However, it is considered preferable to deposit silicon directly in crystalline form as the operation is simpler even if relatively slower.
Come noto nella tecnologia dei semiconduttori, e delle celle solari fotovoltaiche in particolare, sempre operando sotto vuoto ed a temperature relativamente basse dell’ ordine delle poche centinaia di gradi centigradi, sulla superficie esterna del semiconduttore può essere deposto per sputtering uno strato (18) di ossidi conduttori trasparenti di Indio e Stagno (ITO) ed una ulteriore placcatura metallica selettiva (23) di alluminio o argento costituente un reticolo di connessioni che realizzano l’elettrodo esterno di ciascuna cella (5) costituente Γ elemento semiconduttore; successivamente la superficie esterna può essere eventualmente ulteriormente protetta da uno strato (24) di una resina trasparente come PMMA applicata per evaporazione del monomero. As known in semiconductor technology, and in particular photovoltaic solar cells, always operating under vacuum and at relatively low temperatures of the order of a few hundred degrees centigrade, on the outer surface of the semiconductor a layer (18) of transparent conducting oxides of Indium and Tin (ITO) and a further selective metal plating (23) of aluminum or silver constituting a network of connections which form the external electrode of each cell (5) constituting the semiconductor element; subsequently the external surface can be possibly further protected by a layer (24) of a transparent resin such as PMMA applied by evaporation of the monomer.
In possibili diverse soluzioni realizzative l’elettrodo (18) trasparente può essere costituito da nanotubi di carbonio, la placcatura (23) metallica selettiva può essere realizzata per deposizione galvanica di rame oppure oro e la superficie esterna può essere protetta con uno strato (24) di altri materiali come nitruro di silicio oppure altri tipi di resine sintetiche trasparenti ad esempio resine siliconiche. In different possible embodiments, the transparent electrode (18) can be made up of carbon nanotubes, the selective metal plating (23) can be made by galvanic deposition of copper or gold and the external surface can be protected with a layer (24) of other materials such as silicon nitride or other types of transparent synthetic resins such as silicone resins.
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