Metodo Casting
Il metodo Casting è un processo produttivo di celle fotovoltaiche, a partire dal silicio scartato dalle industrie elettroniche. Le prime fasi dei processo consistono nella minuta frammen-tazione (“crushing”) dei materiale seguito da un'operazione di decapaggio (“etching”) per una prima parziale purificazione dalle impurità superficiali. Il materiale viene quindi fuso (“melting”) e colato nelle forme (“casting”) in cui avviene la successiva ricristallizzazione.
Le operazioni di fusione, colaggio e cristallizzazione sono particolarmente critiche. Il problema che si presenta, e che è poi tipico di tutta la tecnologia di produzione dei semiconduttori, è quello della necessità di ridurre al minimo il tasso di impurezze presenti nel materiale al fine di ottenere la migliore efficienza della conversione fotovoltaica. E’ questo il motivo per cui, a tutt'oggi, i processi che consentono di arrivare a blocchi di policristallo non permettono la fusione di masse di silicio superiori a 100 kg per volta, con durata dell'operazione non inferiore a 24 h.
Dopo la cristallizzazione si procede alla squadratura dei blocco cosi ottenuto (“slabbing”) per togliere le asperità meccaniche, e per eliminare le impurità che i processi precedenti hanno fatto addensare alla superficie dei materiale. Dalla massa si ottengono quindi vari lingotti, che vengono successivamente affettati (“slicing”) per la realizzazione dei cosiddetti “wafers” o fette.
L'operazione di taglio è fra quelle che provocano la maggior perdita di materiale. Gran parte dei produttori attualmente sono attestati su wafers di 350 μm (3,5 decimi di millimetro) di spessore, anche se alcuni riescono a ottenere industrialmente fette di 250 μm per mezzo di seghe a filo appositamente progettate; inoltre si stanno sperimentando dispositivi in grado di far ottenere spessori di 150 μm. Il problema evidentemente non sta solo nell'ottenimento di spessori sottili, ma altresì nella progettazione di un sistema di manipolazione, manuale o automatico, a valle dei processo di taglio, che consenta di operare con rese elevate anche in presenza di dispositivi meccanicamente cosi fragili.
I processi fin qui descritti sono ad elevato contenuto tecnologico, richiedendosi alti investimenti e un management capace di competere nel mercato mondiale per assicurarsi i quantitativi necessari di materia prima al miglior prezzo possibile. Sono questi i motivi per cui attualmente non tutti i produttori di moduli fotovoltaici hanno sviluppato tali processi “in casa” e le fette vengono talvolta acquistate direttamente da produttori di silicio per applicazioni elettriche e/o fotovoltaiche.
I processi successivi di formazione della cella hanno molto beneficiato della grandissima esperienza dell'industria dei componenti elettronici a stato solido.
Sulle fette viene effettuata una prima operazione di drogaggio, che consiste nella diffusione di atomi di boro all'interno di tutta la fetta, ottenendosi così delle fette di tipo p. Su queste viene ottenuta la giunzione p-n effettuando una seconda operazione di diffusione, stavolta di fosforo, per una profondità di circa 0.4 μm.
Le operazioni di diffusione vengono effettuate in appositi forni, a temperature dell'ordine dei 900°C; tanto la concentrazione degli atomi quanto la profondità cui tali atomi devono diffondere dentro la fetta di silicio, vengono regolate in base alla durata della permanenza delle fette dentro forni di diffusione.
Una volta ottenuta la giunzione p-n è necessario disporre dei contatti metallici per permettere alla corrente generata di essere raccolta e inviata all'esterno.
Sulla parte da esporre alla luce (in questo caso la parte n) si realizza pertanto una griglia metallica, che ha una configurazione geometrica che consente un efficiente compromesso fra elevata trasparenza alla luce incidente e basso valore di resistenza, cercando cosi di mantenere il più possibile elevato il rendimento di raccolta e conversione. Il contatto sul lato p, non essendo esposto alla luce, non risente di queste limitazioni, e viene pertanto esteso a tutta la superficie della cella.
Tanto la griglia dei contatti sul fronte, che la metallizzazione sul retro della fetta viene ottenuta o per serigrafia o per evaporazione sotto vuoto. Il primo processo, più economico, è il più utilizzato per la fabbricazione di celle solari commerciali per uso terrestre; il secondo consente efficienze maggiori, ma il suo costo elevato ne giustifica l'utilizzazione solo per applicazioni particolari, ad esempio celle per usi spaziali.
Realizzati i contatti metallici, il fronte della cella viene ricoperto da uno strato di materiale antiriflettente (in genere un ossido di titanio) evaporato sotto vuoto fino a uno spessore di circa 0,8 μm. Tale strato è necessario per ottenere che tutta la luce incidente sul fronte della cella, senza riflessioni che causerebbero perdite di fotoni utili, venga raccolta dalla giunzione, attivando il processo di conversione. La cella così ottenuta è la base di partenza per la realizzazione dei moduli fotovoltaici, che si ottengono assemblando insieme più celle.
A partire dalle celle finite, il ciclo di produzione dei moduli inizia con l'impannellatura delle celle al fine di renderle resistenti agli agenti esterni cui saranno esposte nel corso della loro vita operativa e prosegue quindi con la interconnessione di queste per ottenere tensioni e correnti adeguate per scopi pratici. Una cella fotovoltaica dal 100 CM2 produce infatti circa 2,5 A a 0,55 Vcc, un valore di tensione troppo basso per essere praticamente sfruttabile. Le celle vengono quindi connesse in serie e/o in parallelo per ottenere la tensione e la corrente desiderata.
La prima utilizzazione dei sistemi fotovoltaici è stata storicamente quella di carica-batterie. Per tale motivo i moduli attualmente in commercio sono per lo più costituiti da 36 celle in serie, un numero,adeguato all’accoppiamento con gli accumulatori da 12 Vcc nominali. E’ ovviamente possibile aumentare tale numero o porre più celle in parallelo, ma bisogna tener conto allora della maneggevolezza dei pannello e/o dei fatto che i collegamenti all'interno dei modulo, in ogni caso un'unità non molto ingombrante, dovranno avere una sezione adeguata. Ad ogni modo per applicazioni di una certa importanza il cosiddetto modulo doppio, da 72 celle, è già una realtà industriale.
Qualunque siano le dimensioni del modulo, o almeno entro certi limiti, i procedimenti di fabbricazione sono simili. Occorre innanzi tutto saldare adeguati terminali di collegamento sui contatti anteriori e posteriori della cella. Questi terminali sono per lo più in forma di nastro (“ribbon”) in rame. La saldatura (“tabbing”) può essere effettuata manualmente o automaticamente.
Le celle vengono quindi collegate insieme a formare le stringhe, utilizzando appositi tracciati di saldatura: anche questa operazione di "stringing" può essere effettuata sia manualmente sia automaticamente.
Viene quindi costituito un sandwich di cui il piano della cella costituisce la parte centrale e che vede, andando dall'esterno verso l'interno, prima una lastra di vetro a basso tenore di ossido di ferro (< 0.04 %) che assicuri un'ottima trasmittanza (> 90%) e buona resistenza meccanica (vetro temperato meccanicamente o chimicamente); quindi un foglio sigillante che assicura anche un buon isolamento dielettrico (ad esempio acetato viniletilenico EVA), quindi il piano della cella, un nuovo foglio di EVA e infine, posteriormente, un'altra lastra di vetro se si vuole migliorare lo scambio termico e con ciò l'efficienza totale dei modulo, ovvero un rivestimento che abbia anche carattere isolante come il Tedlar®, se problemi di peso e/o di riduzione di costo sono predominanti.
Questo sandwich viene posto in un cosiddetto forno di laminazione che assicura la sigillatura dei componenti, rende l'EVA trasparente con il riscaldamento (a temperatura ambiente esso è traslucido) ed elimina dall'interno dei sandwich l'aria residua che, con il suo contenuto in vapor d'acqua, potrebbe causare processi di corrosione.
Un trattamento termico finale (“curing”) conclude l'operazione di laminazione. Si procede quindi a fissare il suddetto sandwich in una cornice, per lo più in alluminio estruso anodizzato, per meglio resistere alla corrosione conservando le caratteristiche di leggerezza, e si aggiunge la cassetta di giunzione.
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Ultima modifica: October 07 2007 05:47:38
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