Il pannello fotovoltaico elastico: semiconduttori ed energia

I semiconduttori sono molto diffusi in ambito elettronico: circuiti integrati, amplificatori, dispositivi e sensori sono tutte componenti prodotte da materiali di questo tipo. Le applicazioni sono tante; in particolare, le celle che compongono i pannelli fotovoltaici sono composte da Silicio, uno dei semiconduttori più comuni. Al KAUST, l’Università di King Abdullah per la Scienza e la Tecnologia, si è riuscito a trasformare il rigido silicio cristallino in un pannello fotovoltaico elastico.

I semiconduttori

I semiconduttori sono sostanze che presentano caratteristiche di conduttività elettrica intermedia tra quella dei conduttori e quella degli isolanti. Sono semiconduttori, materiali come silicio, il germanio e composti come l’arseniuro e il gallio. Una proprietà interessante che li contraddistingue è la dipendenza della loro resistività e conduttività, dalla temperatura. Infatti, a temperatura molto bassa, vicino allo zero assoluto, si comportano come isolanti. Man mano che la temperatura aumenta, il valore della resistività diminuisce e sono in grado di condurre una piccola corrente. A temperatura ambiente circa (27°C), i semiconduttori presentano un valore di resistività compreso tra quello dei conduttori e degli isolanti.

Conduzione di corrente e drogaggio nei semiconduttori

Gli elettroni, all’interno dei materiali semiconduttori, sono legati agli atomi. Il moto di agitazione termica degli atomi è però sufficiente a rompere alcuni legami, infatti alcuni elettroni, rimasti liberi, possono quindi muoversi sotto l’effetto del campo elettrico. Ogni elettrone libero lascia un posto vuoto detto “lacuna”, che può essere occupato da un elettrone vicino. Le lacune possono essere considerate come cariche elettriche positive; il loro movimento è opposto rispetto a quello degli elettroni. Questo spostamento di elettroni, che saltano da un atomo all’altro, è a tutti gli effetti una corrente.

Detto ciò, ci sono diversi modi per aumentare la conduttività di un semiconduttore. Uno di questi è il drogaggio. Il numero di cariche che possono liberarsi dal legame atomico può essere aumentato, inserendo nel materiale delle quantità piccolissime di altri elementi, chiamate droganti.

I semiconduttori e il fotovoltaico: come funziona?

Come già spiegato in precedenza, il Silicio è il semiconduttore impiegato nei componenti elettronici commerciali. Per ottenere il materiale adatto alle applicazioni elettroniche è indispensabile sottoporre i silicati ad un processo di purificazione, in modo da eliminare tutte le impurità normalmente presenti. Tuttavia, questo materiale non solo soddisfa il settore elettronico, ma si trova in gran parte anche nelle celle fotovoltaiche. Senza alcun dubbio è il componente base dei sistemi fotovoltaici.

La cella fotovoltaica è un componente costituito per lo più da un sottile strato(0,3 mm) di silicio, anche chiamato wafer. Il drogaggio di tale elemento avviene inserendo nella struttura cristallina del silicio delle impurità, cioè atomi di boro e fosforo. Grazie a questo trattamento si genera un campo elettrico e si rendono anche disponibili le cariche necessarie alla formazione della corrente elettrica. La resistività dipendente dalla temperatura, che accomuna tutti i semiconduttori, diventa fondamentale per il funzionamento di un pannello fotovoltaico.

Pannello fotovoltaico elastico by KAUST

Nel campo della ricerca e dell’innovazione si studiano soluzioni sempre più adattabili a qualsiasi ambiente e circostanza. È il caso della KAUST, l’università di King Abdullah per la Scienza e la Tecnologia, dove un gruppo di scienziati è riuscito a capire come trasformare il rigido silicio cristallino in pannelli solari elastici, con un’elevata efficienza di conversione energetica. Inizialmente le proposte erano due: i classici pannelli solari in silicio cristallino e il fotovoltaico a film sottile. I primi, pur essendo la tecnologia dominante, presentano un difetto: la rigidità del semiconduttore limita notevolmente la possibilità di integrare celle e moduli tradizionali mentre la seconda soluzione è risultata o poco efficiente e di breve durata, oppure di un costo molto elevato.

Fotovoltaico elastico

Nel dettaglio, il gruppo guidato dal ricercatore Muhammad Mustafa Hussain, ha realizzato delle celle che possono essere allungate del 95%, pur mantenendo una resa del 19 %.

Le caratteristiche essenziali di tali dispositivi di raccolta dell’energia sono:

• Ultra-estensibilità (95%)

• Alta efficienza energetica (19%)

• Biocompatibilità

• Resilienza meccanica

Lo sviluppo di celle fotovoltaiche con queste proprietà è stato effettuato utilizzando una tecnica di corrugamento basata sul modello laser. Questo metodo si basa sulla creazione di scanalature che danno luogo ad isole di silicio con forme diverse. L’elasticità è stata ottenuta grazie all’applicazione di un elastomero altamente estensibile, economico e biocompatibile, chiamato ecoflex, direttamente sul vetro della cella. L’approccio dimostrato trasforma le celle solari rigide basate su contatti posteriori interdigitati (IBC), in celle solari rigide meccanicamente affidabili ma ultra-estensibili con un degrado trascurabile delle prestazioni elettriche e dell’efficienza di conversione.

Fotovoltaico ultra-elastico: campagna sperimentale

Durante i primi esperimenti, erano state tagliate delle isole di silicio a forma di rettangolo con un’estensibilità del 54%. La meccanica risultante garantisce che le aree di silicio fragile non subiscano sollecitazioni meccaniche significative in caso di allungamento asimmetrico. “Ma la tensione dell’allungamento ha portato a crepe diagonali al loro interno” racconta Hussain. Per questo motivo, vengono studiati diversi modelli, tra cui lineari, diamantati e triangolari, ognuno dei quali si traduce in una diversa elasticità e perdita di area di silicio disponibile per l’acquisizione della luce. Infine, viene condotta una simulazione basata sul metodo degli elementi finiti per studiare la deformazione generata nelle diverse celle solari progettate. Grazie a questa si è scoperto che il design triangolare permette di ottenere la massima elasticità ed un’efficienza da record.

Sviluppi e miglioramenti futuri

Il gruppo prevede di incorporare i nuovi pannelli solari elastici in una pelle artificiale multisensoriale sviluppata dal laboratorio di Hussain. Il difetto principale delle celle fotovoltaiche by KAUST su cui è necessario lavorare ancora, è la direzione di allungamento. Le celle possono essere allungate parallelamente alla griglia dei contatti posteriori interdigitati. Nel caso in cui la capacità di stretching diventi multidirezionale, allora questi dispositivi potrebbero rappresentare una valida alternativa ai pannelli fotovoltaici in silicio cristallino già in commercio.

Articolo a cura di Marco MASETTI