Le celle fotovoltaiche CIGS sono formate da un materiale semiconduttore composito a banda proibita diretta, chiamato appunto CIGS (acronimo dall'inglese: copper indium gallium (di) selenide; ossia "(di)seleniuro di rame indio gallio"). Poiché il materiale ha un elevato potere di assorbimento della luce solare, è sufficiente una pellicola (film) molto più sottile rispetto ad altri materiali semiconduttori. L'assorbitore del CIGS è depositato su un supporto di vetro, insieme a degli elettrodi per raccogliere la corrente.
Il coefficiente di assorbimento del CIGS è più alto di qualsiasi altro semiconduttore usato per le celle solari. I dispositivi costruiti con il CIGS appartengono alla categoria del fotovoltaico (FV) a film sottili. Il mercato per il FV a film sottili è cresciuto ad un tasso annuo del 60% tra il 2002 e il 2007 e sta ancora crescendo rapidamente.Thin-Film wins PV market share: Three New Plants in Germany Total Almost 50 MW . Sustainableenergyworld.eu (2009-03-14). Consultato il 13-09-2011. Perciò, esiste un forte incentivo a sviluppare e migliorare i metodi di deposizione di questi film che consentiranno minori costi e accresciuti rendimenti.
Proprietà Il CIGS (numero CAS: 12018-95-0) è un materiale semiconduttore del I-III-VI2, composto di rame, indio, gallio e selenio. Il materiale a temperatura ambiente si presenta come una soluzione solida di di-seleniuro di rame e indio (spesso abbreviata "CIS") e di diseleniuro di rame e gallio, con una formula chimica bruta di CuInxGa(1-x)Se2, dove il valore di "x" può variare da 1 (seleniuro di rame-indio puro) fino a 0 (seleniuro puro di rame-gallio).
Il CIGS consiste in un semiconduttore, con la struttura del cristallo di calcopirite con legami chimici a tetraedro, ed una banda proibita che varia continuamente con x da circa 1,0 eV (per il seleniuro di rame-indio) fino a circa 1,7 eV (per il seleniuro di rame-gallio).
Il CIGS viene utilizzato come materiale adsorbente la luce nelle celle solari a film sottile. Questo materiale ha un coefficiente di assorbimento eccezionalmente alto di più di 105/cm per i fotoni di 1,5 eV e con energia superiore. Sia il National Renewable Energy Laboratory (NREL) sia lo Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff Forschung (ZSW) hanno rivendicato la realizzazione di celle solari CIGS con efficienze maggiori del 20%, che è il record fino ad oggi per qualunque cella solare a film sottili.ZSW: Press Releases. Zsw-bw.de. Consultato il 13-09-2011.
Celle fotovoltaiche CIGS
Possibili combinazioni degli elementi (I, III, VI) nella tavola periodica che hanno effetto fotovoltaico
La struttura più comune dei dispositivi per le celle solari CIGS è mostrata in Figura 2. Il vetro si usa comunemente come substrato, tuttavia molte compagnie stanno guardando anche substrati più leggeri e flessibili, come il poliimmide o le lamine metalliche. Si deposita uno strato di molibdeno (comunemente mediante polverizzazione catodica) che serve come contatto posteriore e per riflettere la maggior parte della luce non assorbita di nuovo nell'assorbitore. Dopo la deposizione di Mo si fa crescere uno strato assorbitore CIGS di tipo p mediante uno di vari metodi esclusivi. In cima all'assorbitore è aggiunto un sottile strato tampone di tipo n. Il tampone è tipicamente CdS (solfuro di cadmio) depositato mediante bagno. Il tampone è ricoperto di un sottile, intrinseco strato di ZnO (ossido di zinco) che è sormontato da uno strato più spesso di ZnO drogato con Al. Lo strato intrinseco di ZnO è benefico per il rendimento della cella prevenendo il contatto tra lo strato conduttore di ZnO drogato con Al, e lo strato di CIGS. Lo ZnO drogato con Al serve come ossido conduttore trasparente per raccogliere e spostare gli elettroni fuori dalla cella mentre assorbono meno luce possibile.
I materiali basati sul CuInSe2 che sono interessanti per le applicazioni fotovoltaiche includono diversi elementi dei gruppi I, III e VI nella tavola periodica. Questi semiconduttori sono specialmente attraenti per le applicazioni in film sottile di celle solari a causa del loro grande coefficiente di assorbimento ottico e per le caratteristiche ottiche ed elettriche versatili che in principio potrebbero essere manipolate e regolate finemente per adempiere ad una necessità specifica in un determinato dispositivo."Thin film CuInSe2/Cd(Zn)S Heterojunction Solar Cell: Characterization and Modeling", Murat Nezir Eron, PhD. Theseis, Drexel University, 1984, Philadelphia
Efficienza della conversione Le CIGS vengono usate principalmente nelle celle fotovoltaiche nella forma di film sottile policristallino. Nel dicembre del 2005 la migliore efficienza ottenuta era del 19,5%. Un team nel National Renewable Energy Laboratory ha raggiunto un nuovo record mondiale di efficienza del 19,9% modificando la superficie CIGS e rendendola simile a una CIS.
Queste efficienze sono diverse dalle efficienze di conversione dei moduli. Due dei principali produttori di film sottili CIGS hanno raggiunto nuovi record di conversione nei moduli. Lo U.S. National Renewable Energy Laboratory ha confermato un'efficienza del 13,8% per i pannelli da un metro quadro della MiaSolé, mentre la Fraunhofer ISE ha affermato che la sussidiaria della Q-Cells Solibro ha raggiunto un'efficienza del 13% nell'area totale (e 14,2% nell'area di apertura) con alcuni moduli di produzione.
Maggiori efficienze (circa del 30%) possono essere ottenute usando lenti per concentrare la luce incidente. L'uso del gallio aumenta l'intervallo di banda (band gap) ottico dello strato CIGS se confrontato ai CIS puri, e dunque aumenta il voltaggio del circuito aperto. Sotto un altro punto di vista, il gallio potrebbe sostituire l'indio (ove possibile) grazie alla relativa abbondanza del gallio.
Deposizione I film in CIGS possono essere fabbricati mediante diversi metodi: Il processo più comune basato sul sottovuoto è co-evaporare o co-polverizzare rame gallio e indio, poi ricuoce il film risultante con un vapore di seliniuro per formare la struttura finale del CIGS. Un'alternativa è co-evaporare direttamente rame, gallio, indio e selenio su un substrato surriscaldato. Un processo alternativo non basato sul sottovuoto deposita nanoparticelle dei materiali precursori sul substrato e poi li sinterizza in situ. La galvanostegia è un'altra alternativa a basso costo per applicare lo strato di CIGS.
Con l'efficienza record del CIGS appena al di sotto del 20% per parecchi anni, le nuove tendenze delle ricerche sul CIGS si sono focalizzate sui metodi di deposizione a basso costo come alternativa ai costosi processi sottovuoto. Queste nuove ricerche hanno progredito rapidamente ed efficienze del 10%-15% sono state ottenute da molte squadre.
CIGS e silicio Diversamente dalle celle di silicio basate su una omogiunzione, la struttura delle celle CIGS è un sistema più complesso a eterogiunzione. Le celle solari CIGS non sono così efficienti come le celle solari di silicio cristallino, per le quali il record di efficienza si colloca al 24,7%, ma ci si aspetta che siano sostanzialmente più economiche a causa del costo molto inferiore del materiale e del costo potenzialmente inferiore della fabbricazione. Essendo un materiale a banda proibita diretta, il CIGS ha un assorbimento della luce molto forte, tanto che solo 1-2 micrometri di CIGS sono sufficienti ad assorbire la maggior parte della luce solare. Per lo stesso assorbimento è richiesto uno spessore di silicio cristallino molto maggiore.
Lo strato attivo (CIGS) può essere depositato in una forma policristallina direttamente su fogli di vetro rivestito di molibdeno o su fascette di metallo. Questo utilizza meno energia che coltivare grandi cristalli, il che è un passo necessario nella produzione delle celle solari silicio cristallino. Inoltre, a differenza del silicio cristallino, questi substrati possono essere flessibili.
CIGS e altri film sottili Il CIGS appartiene alla categoria delle celle solari a film sottili (in inglese thin film solar cells, TFSC). I semiconduttori usati come strato assorbitore nel fotovoltaico a film sottili mostrano bande proibite dirette che consentono alle celle di essere sottili alcuni micrometri; perciò, si usa il termine celle solari a film sottili. Altri materiali in questo gruppo TFSC includono il CdTe e l'Si amorfo. Le loro efficienze record sono leggermente inferiori a quella del CIGS per celle ad alta prestazione su scala di laboratorio. L'efficienza del 19,9% è di gran lunga la più alta in confronto a quelle conseguite da altre tecnologie a film sottili come il tellururo di cadmio (CdTe) o il silicio amorfo (a-Si). Per quanto riguarda il CIS e le celle solari CIGS, i record mondiali per le efficienze totali di area sono rispettivamente il 15,0% e il 9,5%. Un altro vantaggio del CIGS in confronto al CdTe è la minore quantità di materiale tossico di cadmio presente nelle celle CIGS.
Struttura delle celle fotovoltaiche a film sottile CIGS
La struttura basilare di una cella solare a film sottile Cu(In, Ga) Se2 è rappresentata nell'immagine della Figura 2 a destra. Il substrato più comune è vetro sodico-calcico dello spessore di 1–3 mm. Questo è rivestito su un lato di molibdeno (Mo) che funge da contatto posteriore metallico. L'eterogiunzione viene formata tra i semiconduttori CIGS e ZnO, separati da un sottile strato di CdS e da uno strato di ZnO intrinseco. Il CIGS è un semiconduttore drogato di tipo p per difetti intrinseci, mentre lo ZnO è un semiconduttore drogato di tipo n in misura molto maggiore attraverso l'incorporazione di alluminio (Al). Questo drogaggio asimmetrico fa sì che la regione di carica spaziale si estenda molto di più nel CIGS che nello ZnO. Legati a questo sono gli spessori degli strati e le bande proibite dei materiali: l'ampio strato del CIGS serve da assorbitore con una banda proibita tra 1.02 eV (CuInSe2) e 1.65 eV (CuGaSe2). L'assorbimento è minimizzato negli strati superiori, chiamati "finestra", dalla scelta di bande proibite più grandi: Eg, ZnO=3.2 eV ed Eg, CdS=2.4 eV. Lo ZnO drogato funge anche da contatto anteriore per la raccolta della corrente. I dispositivi a scala di laboratorio, grandi tipicamente 0,5 cm², sono muniti di una griglia di Ni/Al depositata sul lato anteriore per fare contatto con lo ZnO.
La produzione di moduli implica che lo strato di deposizione sia tagliato in una serie di strisce parallele collegate. Un'ulteriore copertura protettiva trasparente è applicata al modulo. Questa costruzione a sandwich è poi sigillata contro l'ingresso di umidità. Occorre un qualche tipo di sostegno fisico per impedire la rottura di questa fragile struttura.
Proprietà generali degli assorbitori CIGS ad alta prestazione