Gli scienziati del National Renewable Energy Laboratory (NREL) hanno raggiunto una svolta tecnologica per le celle solari precedentemente ritenute impossibili.

Gli scienziati hanno integrato con successo una fonte di alluminio nel loro reattore di epitassia in fase vapore di idruro (HVPE), ha poi dimostrato la crescita dei semiconduttori fosfuro di alluminio indio (AlInP) e fosfuro di alluminio e indio gallio (AlGaInP) per la prima volta mediante questa tecnica.

"C'è un discreto corpus di letteratura che suggerisce che le persone non sarebbero mai in grado di coltivare questi composti con l'epitassia in fase vapore di idruro, " ha detto Kevin Schulte, uno scienziato nel Materials Applications &Performance Center di NREL e autore principale di un nuovo documento che evidenzia la ricerca. "Questo è uno dei motivi per cui gran parte dell'industria III-V ha optato per l'epitassia in fase vapore metallorganica (MOVPE), che è la tecnica di crescita III-V dominante. Questa innovazione cambia le cose".

L'articolo, "Crescita di AlGaAs, AlInP, e AlGaInP per epitassia in fase vapore di idruro, " appare sul giornale Materiali energetici applicati ACS .

Le celle solari III-V, così chiamate per la posizione in cui i materiali cadono sulla tavola periodica, sono comunemente utilizzate nelle applicazioni spaziali. Notevole per l'alta efficienza, questi tipi di celle sono troppo costosi per l'uso terrestre, ma i ricercatori stanno sviluppando tecniche per ridurre tali costi.

Un metodo sperimentato al NREL si basa su una nuova tecnica di crescita chiamata epitassia in fase vapore di idruri dinamici, o D-HVPE. HVPE tradizionale, che per decenni è stata considerata la migliore tecnica per la produzione di diodi emettitori di luce e fotorivelatori per l'industria delle telecomunicazioni, cadde in disgrazia negli anni '80 con l'emergere di MOVPE. Entrambi i processi comportano la deposizione di vapori chimici su un substrato, ma il vantaggio apparteneva a MOVPE a causa della sua capacità di formare brusche eterointerfacce tra due diversi materiali semiconduttori, un luogo in cui HVPE tradizionalmente ha lottato.

Questo è cambiato con l'avvento del D-HVPE.

Campione di celle solari III-V coltivate utilizzando HVPE Campione di celle solari in alluminio III-V, coltivato con HVPE, sono mostrati come film sottili di Alx(Ga1-x)0.5In0.5P dopo aver rimosso il substrato di GaAs legato a un manico di vetro per le misurazioni della trasmissione. La differenza di colore è dovuta alla differenza nella composizione di Al e Ga. Nello specifico, i campioni gialli sono AlInP (no Ga) e i campioni arancioni sono AlGaInP. Foto di Dennis Schroeder, NREL

La versione precedente di HVPE utilizzava una camera singola in cui una sostanza chimica veniva depositata su un substrato, che è stato poi rimosso. La chimica della crescita è stata poi scambiata con un'altra, e il substrato è tornato nella camera per la successiva applicazione chimica. D-HVPE si basa su un reattore multicamera. Il substrato si muove avanti e indietro tra le camere, riducendo notevolmente il tempo per realizzare una cella solare. Una cella solare a giunzione singola che impiega un'ora o due per essere prodotta utilizzando MOVPE può potenzialmente essere prodotta in meno di un minuto da D-HVPE. Nonostante questi progressi, MOVPE ha ancora un altro vantaggio:la capacità di depositare materiali contenenti alluminio a banda proibita ampia che consentono le massime efficienze delle celle solari. HVPE ha lottato a lungo con la crescita di questi materiali a causa di difficoltà con la natura chimica del solito precursore contenente alluminio, monocloruro di alluminio.

I ricercatori hanno sempre pianificato di introdurre l'alluminio nel D-HVPE, ma prima hanno concentrato i loro sforzi sulla convalida della tecnica di crescita.

"Abbiamo cercato di far avanzare la tecnologia per gradi invece di provare a fare tutto in una volta, " Schulte ha detto. "Abbiamo confermato che possiamo coltivare materiali di alta qualità. Abbiamo convalidato che possiamo sviluppare dispositivi più complessi. Il prossimo passo per far avanzare la tecnologia è l'alluminio".

I coautori di Schulte di NREL sono Wondwosen Metaferia, Giovanni Simone, David Guiling, e Aaron J. Ptak. Includono anche tre scienziati di un'azienda della Carolina del Nord, Tecnologie Kyma. L'azienda ha sviluppato un metodo per produrre una molecola contenente alluminio unica, che potrebbe quindi essere convogliato nella camera D-HVPE.

Gli scienziati hanno utilizzato un generatore di tricloruro di alluminio, che è stato riscaldato a 400 gradi Celsius per generare un tricloruro di alluminio da alluminio solido e gas di acido cloridrico. Il tricloruro di alluminio è molto più stabile nell'ambiente del reattore HVPE rispetto alla forma monocloruro. Gli altri componenti, cloruro di gallio e cloruro di indio, sono stati vaporizzati a 800 gradi Celsius. I tre elementi sono stati combinati e depositati su un substrato a 650 gradi Celsius.

Utilizzando D-HVPE, Gli scienziati del NREL erano in precedenza in grado di realizzare celle solari da arseniuro di gallio (GaAs) e fosfuro di indio di gallio (GaInP). In queste cellule, il GaInP viene utilizzato come "strato finestra, " che passiva la superficie frontale e permette alla luce solare di raggiungere lo strato assorbente di GaAs sottostante dove i fotoni vengono convertiti in elettricità. Questo strato deve essere il più trasparente possibile, ma GaInP non è trasparente come il fosfuro di alluminio e indio (AlInP) utilizzato nelle celle solari coltivate con MOVPE. L'attuale record mondiale di efficienza per le celle solari GaAs coltivate con MOVPE che incorporano strati di finestre AlInP è del 29,1%. Con solo GaInP, si stima che l'efficienza massima per le celle solari coltivate con HVPE sia solo del 27%.

Ora che l'alluminio è stato aggiunto al mix di D-HVPE, gli scienziati hanno affermato che dovrebbero essere in grado di raggiungere la parità con le celle solari realizzate tramite MOVPE.

"Il processo HVPE è un processo più economico, " ha detto Ptak, uno scienziato senior nel Centro nazionale per il fotovoltaico del NREL. "Ora abbiamo mostrato un percorso verso la stessa efficienza che è la stessa degli altri ragazzi, ma con una tecnica più economica. Prima, eravamo un po' meno efficienti ma più economici. Ora c'è la possibilità di essere altrettanto efficienti ed economici".