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Rapporto RSE 18002425

Simulazione delle performance di celle di InGaP per concentratori luminescenti adatti all’integrazione architettonica

Rapporto

2017

Richiedi il materiale (1.55 MB, .pdf)

G. Timo´ (RSE SpA) , A. Minuto (RSE SpA), S. Rizzi (RSE SpA)

GESTDOMANDA 2017 - Gestione della domanda

Si riporta il potenziale incremento di prestazioni nell’utilizzo di strutture fotovoltaiche a base di InGaP, in luogo delle “tradizionali” celle a base silicio, quando inserite nei concentratori luminescenti, che rappresentano una promettente soluzione di integrazione negli edifici, al fine di aumentare la produzione locale con positivi effetti sull’andamento della domanda.

Nell’ambito dell’integrazione architettonica del fotovoltaico, soluzione atta a incrementare l’autoproduzione e a migliorare i profili di domanda per il sistema elettrico, sta trovando applicazione la tecnologia del fotovoltaico a bassa concentrazione, ed in particolare quella che riguarda i cosiddetti concentratori luminescenti. Tali dispositivi sono costituiti da lastre di polimetilmetacrilato (PMMA) semitrasparenti, contenenti apposite nano-particelle (coloranti) che hanno la capacità di assorbire parte della luce solare e di riemetterla in uno stretto intervallo di lunghezza d’onda, dando così la colorazione voluta alla lastra. A differenza dei semplici pannelli colorati che vengono inseriti negli edifici per arredare gli ambienti interni o esterni, con un ruolo squisitamente estetico, i concentratori luminescenti uniscono alla funzione architettonica anche quella energetica. Infatti, ai bordi del concentratore luminescente sono installate delle celle fotovoltaiche che convertono in energia elettrica l’energia luminosa che incide sulla lastra. 

Per ottimizzare le performance del concentratore luminescente occorre accoppiare adeguatamente il colorante con il materiale di cui è costituita la cella solare, ovvero occorre utilizzare delle celle solari realizzate con materiali il cui valore della soglia energetica di assorbimento (energy gap) si avvicini il più possibile al valore di energia a cui si trova il massimo di emissione luminosa del colorante. Fino ad oggi questo accoppiamento non è stato ottimale, in quanto i concentratori luminescenti, operando con un basso valore del fattore di concentrazione, sono stati accoppiati con celle fotovoltaiche a basso costo, come quelle al silicio, il cui valore di energy gap si discosta significativamente dall’energia media dei fotoni emessi dal colorante.

Più recentemente, l’utilizzo di nuovi materiali e di nuovi processi di fabbricazione del dispositivo fotovoltaico hanno aperto la strada anche all’utilizzo dei composti III-V per i concentratori luminescenti (precedentemente, invece, riservato solo all’ambito dell’alta concentrazione), con la prospettiva, così, di poter abbinare l’alta efficienza di conversione al basso costo. Per questo motivo RSE ha avviato un studio relativo all’utilizzo di celle solari a base di InGaP nei concentratori luminescenti. Il vantaggio nell’utilizzo del materiale semiconduttore InGaP sta proprio nell’accoppiamento ideale fra l’energy gap del materiale semiconduttore e lo spettro di emissione dei coloranti utilizzati nei concentratori luminescenti.

L’obiettivo principale dell’attività è stato quello di valutare il potenziale incremento di prestazioni conseguibile tramite l’utilizzo di strutture fotovoltaiche a base di InGaP in luogo delle “tradizionali” celle a base silicio, utilizzando diverse lastre luminescenti, fornite da un’industria con cui RSE ha stretto un accordo di collaborazione. Per ottenere una simulazione il quanto più possibile realistica, sono state dapprima effettuate prove outdoor, finalizzate a determinare sperimentalmente lo spettro luminoso emesso dai bordi della lastre luminescenti quando illuminate dalla radiazione solare; successivamente, è stato sviluppato un programma software in grado di calcolare il valore di efficienza di conversione fotovoltaica di celle InGaP poste ai bordi di tali lastre.

È stato quantificato un incremento di efficienza di conversione del 400% utilizzando le strutture fotovoltaiche a base di InGaP in luogo delle “tradizionali” celle a base silicio, ovvero da valori di efficienza del 10%-15% ottenute con celle solari al silicio è possibile passare a valori superiori al 44%, conseguibili con celle solari di InGaP. Ne deriva che la produzione di energia potrebbe aumentare da 3 a 4 volte, adottando questa soluzione.

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