NANOCOAT

L’obiettivo principale di questo progetto è selezionare materiali e tecnologie per la realizzazione di rivestimenti atti a incrementare l’efficienza fotovoltaica di celle solari a giunzione multipla (MJSC) per applicazioni spaziali, basate su material III-V. Lo scopo finale è dimostrare un miglioramento della prestazione della sola cella solare di almeno lo 0.5% rispetto alle soluzioni dell’attuale stato dell’arte. L’obiettivo è perseguito elaborando un rivestimento antiriflettente (ARC), nell'intervallo di lunghezze d’onda 250-1800 nm, una migliore passivazione superficiale e dei bordi e una maggiore efficienza dei contatti elettrici.
Sono esplorati materiali innovativi: materiali ad ampia gap come componenti di un sistema antiriflettente a più strati e nella parte anteriore della cella multi-giunzione come strati di passivazione elettrica. Lo sputtering è la tecnica di riferimento nella deposizione di film sottili, comunque tecniche meno convenzionali (PLD e PED) sono provate per le loro peculiarità di depositare strati di materiali a bassa temperatura con elevata adesione, densità e a bassa rugosità. In particolare la tecnica PED (pulsed electron deposition) è impiegata presso IMEM per crescere strutture composte da film sulla faccia esposta delle celle solari multi-giunzione in seguito alle simulazioni ottiche della struttura antiriflettente ideata e della cella solare.

Gli strati sviluppati nel progetto Nanocoat integrano la funzione di passivazione per la riduzione al minimo della velocità di ricombinazione alla superficie della cella solare multi-giunzione. Approcci innovative per la riduzione delle perdite da riflessione sono studiati teoricamente e praticamente partendo da celle solari a tripla giunzione CTJ30 sviluppate da CESI, già qualificate sia in versione standard sia in versione più sottile.
Due nuovi disegni di sistemi antiriflesso si dimostrano superiori al trattamento standard impiegato sulle celle CESI: una struttura a tre strati e una a indice di rifrazione variabile. Entrambe le strutture sono realizzate su celle solari 2x2 cm², allo scopo di verificare le prestazioni ottiche ed elettriche prima di passare a celle solari di 4x8 cm². Nei nuovi disegni degli ARC la passivazione superficiale e dei bordi sono determinate dalle modalità di deposizione degli ossidi metallici. Le tecniche PLD e PED assicurano che sia la superficie sia i bordi delle celle solari vengano ricoperti con strati di alta qualità nel processo di deposizione.
Il sistema antiriflesso a tre strati è progettato utilizzando software di simulazione utile per la valutare la risposta ottica ed elettrica della cella solare multi-giunzione. Lo studio ha permesso di definire la combinazione Nb₂O₅ / Ta₂O₅ / SiO₂ come la più promettente per migliorare significativamente lo strato antiriflesso standard.

La struttura a triplo strato fornisce la migliore risposta ottica nell'intervallo spettrale 400-900 nm, mentre il sistema antiriflesso a indice di rifrazione variabile riduce la riflessione su tutto lo spettro disponibile.

Le celle solari CESI CTJ30 CESI mostrano un significativo aumento della prestazione elettrica nei dispositivi ricoperti con entrambi i nuovi sistemi antiriflesso rispetto al trattamento standard. L’incremento di efficienza ricercato è ottenuto. Diversi dispositive sono stati testati con successo (irraggiamento, shock termico e test temperatura-umidità) senza mostrare alcun deterioramento dei parametrici elettrici.

Partner del progetto

• RINA CONSULTING
• CESI
• IIT
• CNR-IMEM

Pubblicazioni

"Effective Coating for High Efficiency Triple Junction Solar Cells", 2019 European Space Power Conference (ESPC) (DOI: 10.1109/ESPC.2019.8932034)