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AXT inc. - Celle solari al germanio alimentano un futuro più verde

21/08/2008

  • Interviste a esperti
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Secondo il dottor Philip Yin di AXT, azienda statunitense specializzata nella costruzione di substrati a semiconduttori, l’utilizzo di substrati in germanio per le celle solari fotovoltaiche presenta una maggiore efficienza rispetto all’impiego di substrati in silicio.

Il dottor Yin è presidente e amministratore delegato di AXT Inc., un’importante azienda costruttrice di substrati a semiconduttori composti ad alte prestazioni per la produzione di circuiti integrati a base di arseniuro di gallio (AsGa), fosfuro d’indio (InP) e germanio (Ge). AXT ha commercializzato per prima il processo denominato “congelamento del gradiente verticale” (vertical gradient freeze, VGF), che permette di costruire substrati per dispositivi elettronici con una bassissima difettosita'. Il dottor Yin è fermamente convinto che l’utilizzo di substrati in germanio per le celle solari fotovoltaiche (FV) costituisca un’importante fonte energetica alternativa.

Perché l’energia solare è tanto importante?

Ormai, quasi ognuno di noi ha sentito parlare di “energia solare” e sappiamo tutti che è prodotta dai raggi del sole. L’idea che un giorno potremmo beneficiare tutti dell’energia gratuita del sole è davvero affascinante. In una giornata limpida e assolata, il sole riesce a produrre circa 1 000 Watt di energia per metro quadrato di superficie del pianeta. La possibilità di fornire gratuitamente energia a case, uffici, impianti di produzione e forse persino automobili è molto allettante.

L’utilizzo delle celle solari, inoltre, riduce drasticamente la nostra dipendenza dai combustibili fossili e contribuisce a rendere il pianeta più verde. Se vogliamo sfruttare fonti energetiche rinnovabili per il futuro, dobbiamo iniziare a pianificare oggi sviluppando fonti energetiche pulite, verdi e sostenibili come l’energia solare a vantaggio delle generazioni future.

Quali sono le opportunità commerciali per la tecnologia fotovoltaica?

Dai lampioni stradali alimentati a energia solare del Venezuela alle conferenze e ai vertici sul fotovoltaico organizzati in tutto il mondo e all’abbondanza di informazioni disponibili su Internet in merito a celle solari e tecnologia fotovoltaica, le imprese dell’intero pianeta non stanno trascurando l'opportunità di investire in questa eco-tecnologia. Il rendimento di questi investimenti e' davvero ingente ed ogni anno, a fianco delle grandi multinazionali già attive sul fronte della tecnologia delle celle solari, vengono costituite decine di nuove imprese. Questo entusiasmo, inoltre, è ascrivibile anche al ruolo svolto dalle autorità pubbliche. Negli USA, infatti, grazie alle singole legislazioni statali e ai programmi di finanziamento federale, le imprese investono con minori rischi.

Aziende e centri di ricerca nazionali lavorano a stretto contatto per immettere prodotti innovativi sul mercato. Il National Renewable Energy Laboratory (NREL) degli Stati Uniti si sta dedicando alla ricerca sulla tecnologia fotovoltaica e intende ridurre la dipendenza americana dall’elettricità generata dai combustibili fossili diminuendo il costo dell’elettricità erogata e migliorando l’efficienza di moduli e sistemi fotovoltaici. La ricerca fotovoltaica dell’NREL contribuisce alla realizzazione di questi obiettivi attraverso la ricerca di base nonché tramite dispositivi e materiali avanzati e lo sviluppo tecnologico.

Quali materiali vengono utilizzati per questo tipo di celle?

Le due principali applicazioni delle celle solari fotovoltaiche sono di tipo spaziale, per i satelliti, e terrestre, per la produzione di energia solare. La vasta maggioranza dei dispositivi a celle solari attualmente in commercio è costituita da substrati in silicio, utilizzati principalmente per applicazioni terrestri. Tra i costruttori più importanti figurano GE Energy (USA), Schott Solar (Germania) e SHARP (Giappone), società che sostiene di essere la più grande impresa produttrice di celle solari al mondo.

Tuttavia, esiste un altro substrato in rapida espansione, denominato germanio, che è molto più efficiente in termini di prestazioni. Le celle solari al germanio sono già impiegate in oltre l’80% delle applicazioni satellitari. Le celle solari a base di germanio vengono utilizzate per la loro resa, le maggiori efficienze e il migliore tasso di conversione. L’efficienza delle celle solari commerciali in silicio è pari al 19-21% circa, mentre l’efficienza delle celle solari in germanio è pari al 30-35% circa.

Tecnicamente, la crescita dei substrati in germanio è alimentata da sistemi fotovoltaici a concentrazione (CPV) – cfr. anche Riquadro . L’uso di specchi o concentratori a lenti aumenta il flusso solare di 100-500 volte rispetto al normale. La società di ricerca di mercato Strategy Analyti prevede che il mercato globale dei sistemi fotovoltaici a concentrazione – attualmente pari solo all’1% circa del totale – crescerà a un tasso annuo composto di oltre il 350% fino al 2012.

Oggigiorno, importanti operatori economici a livello mondiale stanno favorendo l’utilizzo di substrati in germanio sia nel settore privato che in quello pubblico. Importanti imprese internazionali come Emcore e Spectrolab – di proprietà di Boeing – sono tra le principali utilizzatrici di germanio, non solo per motivi ambientali, ma anche perché le celle solari a base di germanio, alla luce delle efficienze globali, risultano molto competitive in termini di costo per Watt. Recentemente, entrambe le imprese hanno intrapreso la gestione di grandi centrali elettriche terrestri.

In Europa, Emcore ha in programma l’installazione di un sistema fotovoltaico a concentrazione in Castilla-La Mancha (ES) entro dicembre 2008 e sta costruendo un parco a energia solare da 850-kW in Extremadura (ES), che sarà completato entro luglio 2008. Questa società ha inoltre affermato che lancera' sul mercato canadese e coreano un sistema fotovoltaico a concentrazione e che, per il proprio sistema CPV, prevede di raggiungere un tasso di efficienza di oltre il 45% entro il 2010. La società spagnola Acciona , dal canto suo, sta per inaugurare “Nevada Solar One”, non molto lontano da Las Vegas (USA).

Il governo degli Stati Uniti, inoltre, comprende l’importanza dell’eco-innovazione nel settore e sta finanziando massicciamente programmi solari finalizzati a migliorare le efficienze globali del germanio. La Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) degli Stati Uniti gestisce, ad esempio, un programma di 48 mesi, del valore di circa 50 milioni di dollari, volto a ottenere efficienze pari fino al 50% per le celle solari a base di germanio.

Qual è il contributo di AXT?

AXT è una delle poche imprese al mondo a essere dotata di un’infrastruttura in grado di offrire substrati in germanio in quantità commerciali. Utilizziamo una tecnologia innovativa chiamata “congelamento del gradiente verticale” (vertical gradient freeze, VGF), che offre una bassissima difettosita'. Alla luce del netto aumento subito negli ultimi mesi dal prezzo del germanio e consapevoli della minaccia posta dalla scarsità di questo metallo, attribuiamo la massima priorità all’innovazione tecnica che riduce i costi – ambientali – diretti e indiretti migliorando al contempo le prestazioni. Di fatto, AXT riconosce che una migliore gestione delle risorse naturali va di pari passo con una migliore gestione dell’impresa, un’impresa di giorno in giorno più ecologica.

E’ davvero un periodo entusiasmante per contribuire allo sviluppo di questa promettente tecnologia verde. Solo il tempo potrà dire quali nuove conquiste verranno realizzate nel prossimo futuro, che permetteranno alla tecnologia delle celle solari di passare al livello successivo. Una cosa è certa: la Terra e la sua popolazione beneficeranno della dedizione e dell’impegno di coloro che oggi si occupano di tecnologie ambientali.

Contatto: dottor Philip Yin, AXT – philip.yin@axt.com

Tecnologia VGF

La tecnologia VGF (vertical gradient freeze, congelamento del gradiente verticale) è stata utilizzata per la prima volta da Bell Labsall’inizio degli anni ’80 per la crescita di semiconduttori composti da elementi multipli tra cui gallio, arsenico, indio e fosforo. Tali semiconduttori sono dotati di capacità superiori a quelle dei wafer creati su un substrato in silicio monocristallino. AXT è stata la prima azienda a commercializzare autonomamente questo processoproduttivo. La tecnologia VGF prevede la crescita di cristalli uniformi fino a un determinato diametro, il taglio del cristallo in fette sottili a tolleranze molto precise, la smussatura dei bordi dei fattori di forma, la lucidatura dei wafer fino alla loro levigatura e infine l’accurato imballaggio degli stessi in un locale pulito prima della spedizione ai clienti. Tra i principali vantaggi del processo VGF figurano scalabilità, bassa sollecitazione, elevata forza meccanica e un tasso di difettosita' nettamente inferiore rispetto ai processi di crescita di cristalli di semiconduttori composti.

Esempi europei

Produttori europei di germanio come Umicore sono impegnati nel fotovoltaico da tempo. Inoltre, il Centro belga per la ricerca nanoelettronica IMEC ha recentemente annunciato di avere raggiunto efficienze di conversione record del 24,7% in una cella solare a singola giunzione di arseniuro di gallio su un substrato in germanio. L’efficienza è stata misurata e confermata dal National Renewable Energy Laboratory degli Stati Uniti. L’IMEC ritiene che la maggiore efficienza di questa cella a singola giunzione costituisca un ulteriore passo avanti nello sviluppo di una cella solare ibrida monolitica/meccanicamente sovrapposta a tripla giunzione da utilizzare nei pannelli solari satellitari e nei concentratori solari terrestri.

La ricerca svolta dalla Piattaforma tecnologica europea per l’energia fotovoltaica si concentra sul miglioramento delle prestazioni delle celle fotovoltaiche in silicio, ma nell’ambito degli sforzi sulle tecnologie fotovoltaiche emergenti vengono studiate anche le celle fotovoltaiche a base di germanio.

Celle solari ad alta efficienza

Se i substrati in silicio svolgono un ruolo essenziale nel fotovoltaico, i substrati in germanio sono stati ampiamente utilizzati nelle applicazioni spaziali, in cui le loro dimensioni ridotte, la maggiore efficienza e la resa più elevata rivestono un’importanza fondamentale. Le celle fotovoltaiche a base di germanio vengono attualmente utilizzate anche nelle applicazioni terrestri in cui, associate a sistemi ottici che concentrano i raggi solari su wafer sottili, presentano efficienze molto maggiori rispetto alle celle fotovoltaiche in silicio, che permettono di compensare la differenza di costo. Inoltre, benché il germanio sia un materiale più raro del silicio, ne esistono riserve notevoli negli scarti della lavorazione del carbone e dello zinco.