Un gruppo di scienziati di San Pietroburgo ha proposto e testato sperimentalmente una tecnologia per la fabbricazione di celle solari ad alta efficienza basata su semiconduttori A3B5 integrati su un substrato di silicio, che in futuro potrebbe aumentare di 1,5 volte l'efficienza degli attuali convertitori fotovoltaici a singola giunzione. Lo sviluppo della tecnologia è stato previsto dal premio Nobel Zhores Alferov. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Materiali per l'energia solare e celle solari .

Oggi, con il rapido esaurimento delle riserve di idrocarburi e una crescente preoccupazione per le questioni ambientali, gli scienziati stanno prestando sempre più attenzione allo sviluppo delle cosiddette "tecnologie verdi". Uno degli argomenti più popolari nel settore è lo sviluppo di tecnologie per l'energia solare.

Però, un uso più ampio dei pannelli solari è ostacolato da una serie di fattori. Le celle solari convenzionali al silicio hanno un'efficienza relativamente bassa, inferiore al 20%. Le tecnologie più efficienti richiedono tecnologie dei semiconduttori molto più complesse, che aumenta significativamente il prezzo delle celle solari.

Gli scienziati di San Pietroburgo hanno proposto una soluzione a questo problema. I ricercatori dell'Università ITMO, L'Università accademica di San Pietroburgo e l'Istituto Ioffe hanno dimostrato che le strutture A3B5 possono essere coltivate su un substrato di silicio poco costoso, fornendo una diminuzione del prezzo delle celle solari multi-giunzione.

"Il nostro lavoro si concentra sullo sviluppo di celle solari efficienti basate su materiali A3B5 integrati su substrato di silicio, " commenta Ivan Mukhin, un ricercatore dell'Università ITMO, capo di un laboratorio presso l'Università Accademica e coautore dello studio.

"La principale difficoltà nella sintesi epitassiale su substrato di silicio è che il semiconduttore depositato deve avere lo stesso parametro del reticolo cristallino del silicio. In parole povere, gli atomi di questo materiale dovrebbero essere alla stessa distanza l'uno dall'altro come lo sono gli atomi di silicio. Sfortunatamente, ci sono pochi semiconduttori che soddisfano questo requisito:un esempio è il fosfuro di gallio (GaP). Però, non è molto adatto per la fabbricazione delle celle solari poiché ha una scarsa proprietà di assorbimento della luce solare. Ma se prendiamo GaP e aggiungiamo azoto (N), otteniamo una soluzione di GaPN. Anche a basse concentrazioni di N, questo materiale dimostra la proprietà della banda diretta ed è ottimo per assorbire la luce, oltre ad avere la capacità di essere integrato su un substrato di silicio. Allo stesso tempo, il silicio non serve solo come materiale da costruzione per gli strati fotovoltaici:esso stesso può agire come uno degli strati fotoattivi di una cella solare, assorbendo la luce nel raggio dell'infrarosso. Zhores Alferov è stato uno dei primi a esprimere l'idea di combinare strutture ASB5 e silicio".

Lavorando in laboratorio, gli scienziati sono stati in grado di ottenere lo strato superiore della cella solare, integrato su un substrato di silicio. Con un aumento degli strati fotoattivi cresce l'efficienza della cella solare, poiché ogni strato assorbe la sua parte dello spettro solare.

Al momento, i ricercatori hanno sviluppato il primo piccolo prototipo di cella solare basata su A3B5 su substrato di silicio. Ora stanno lavorando allo sviluppo della cella solare che consisterebbe in diversi strati fotoattivi. Tali celle solari saranno significativamente più efficaci nell'assorbire la luce solare e nel generare elettricità.

"Abbiamo imparato a far crescere lo strato più in alto. Questo sistema di materiali può essere potenzialmente utilizzato anche per strati intermedi. Se aggiungi arsenico, si ottiene una lega di GaPNA quaternari, e da esso possono essere coltivate diverse giunzioni operanti in diverse parti dello spettro solare su un substrato di silicio. Come dimostrato nel nostro lavoro precedente, l'efficienza potenziale di tali celle solari può superare il 40% sotto concentrazione di luce, che è 1,5 volte superiore a quello delle moderne tecnologie Si, " conclude Ivan Mukhin.