Descrizione della commessa "Sistemi per la conversione di energia (SP.P02.002)"

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  • Descrizione della commessa "Sistemi per la conversione di energia (SP.P02.002)" (literal)
Potenziale impiego per bisogni individuali e collettivi
  • I generatori termofotovoltaici possono essere impiegati per la microcogenerazione distribuita di energia elettrica e termica in piccoli impianti di tipo domestico o a servizio di attività produttive o dei servizi. Un impianto a cogenerazione di energia termica ed elettrica dal combustibile può raggiungere efficienze oltre il 95% a confronto di efficienze non superiori al 40% per la sola conversione elettrica in impianti a grande scala. La focalizzazione dei raggi gamma può permettere la riduzione della dose al paziente nella radiodiagnostica e nella radioterapia. (literal)
Strumentazione
  • Reattore epitassiale per deposizione da fase vapore (MOVPE) che utilizza precursori metallorganici (trimetilgallio, trimetilalluminio, trimetilindio, trimetilzinco, isobutilgermano) e sorgenti gassose (arsina, fosfina, silano). Diffrattometro X ad alta risoluzione e camera per topografia a raggi X ad alta risoluzione per la valutazione della qualità cristallina delle strutture cresciute. Microscopio elettronico in trasmissione. Microscopio elettronico a scansione con microanalisi a raggi X, misura di corrente indotta da fascio elettronico (EBIC) e catodoluminescenza in funzione della temperatura (6-300 K), della profondità e dell'energia di eccitazione. Spettroscopia capacitiva e DLTS. Microscopia a forza atomica. Spettrometro per la misura dell'emissività di materiali a diversa temperatura in un range da 900 a 2400 nm. Misura dell'efficienza quantica spettrale fino a 2400nm. (literal)
Tematiche di ricerca
  • Studio dei meccanismi di diffusione nel germanio al fine di ottenere giunzioni a profilo di drogaggio predefinito in strutture epitassiali composte da materiali del gruppo III-V sul germanio per la realizzazione di una cella fotovoltaica con massima efficienza di conversione per luce con lunghezza d'onda vicino a 1500 nm Studio dei meccanismi di trasporto elettrico in giunzioni Ge/Ge, Ge/GaAs, per celle solari a concentrazione. Studio dell'efficienza radiante e dei metodi per aumentare l'efficienza radiante in convertitri termo fotovoltaici. Studio dell'efficienza di diffrazione dei raggi x ad alta energia in cristalli a mosaico e cristalli curvi per applicazioni nel campo della radiodiagnostica. Metodo del danneggiamento superficiale per ottenere cristalli con curvatura definita (literal)
Competenze
  • Competenza nella deposizione epitassiale di strati di composti semiconduttori III-V e di germanio monocristallino mediante epitassia da fase vapore con metallorganici (MOVPE). Controllo della composizione, spessore, livello di drogaggio intenzionale (n, p) in diversi tipi di strati (GaAs, InGaP, GaAlAs) e strutture più complesse per applicazioni fotovoltaiche su substrati di GaAs e Ge. Competenza nelle misure elettriche ed ottiche su materiali semiconduttori per la misura della concentrazione e ella mobilità dei portatori. Conoscenza di strutture di celle fotovoltaiche a singola e a giunzione multipla. Competenza nelle caratterizzazioni strutturali con diverse tecniche di diffrazione X e di microscopia elettronica in scansione e trasmissione e relazione con la presenza di difetti strutturai e di curvatura dei cristalli. (literal)
Potenziale impiego per processi produttivi
  • I generatori termofotovoltaici possono essere impiegati per la cogenerazione di energia elettrica attraverso il recupero del calore prodotto in processi produttivi, come ad esempio nell'industria del vetro. Sono inoltre studiati per aumentare l'autonomia dei veicoli elettrici. Le celle a base di germanio sono impiegate come parte di celle a multi giunzione ad alta efficienza. Si stanno proponendo come sensori per lo spettro infrarosso facilmente integrabili nell'elettronica basata su silicio. I cristalli a mosaico e curvi hanno interesse per la produzione di strumentazione scientifica per astronomia a raggi gamma o per la realizzazione di rivelatori di raggi gamma ad alta efficienza per radiodiagnostica con riduzione della dose al paziente. (literal)
Tecnologie
  • E' disponibile la tecnica della realizzazione di maschere, della fotolitografia e della deposizione di strati metallici per la realizzazione di semplici strutture di dispositivi e prototipi di celle fotovoltaiche e per la passivazione delle superfici per ridurre la ricombinazione superficiale delle cariche. Sono inoltre disponibili tecniche per il taglio. l'orientazione ed il danneggiamento superficiale e controlla to di cristalli piani. (literal)
Obiettivi
  • - Aumento dell'efficienza fotovoltaica delle giunzioni di germanio nelle condizioni di impiego, con particolare riferimento alla tensione della cella e del fill-factor. Ottimizzazione delle interfacce. - Ottimizzazione della griglia di contatto e degli strati di passivazione ed efficienza nelle condizioni di lavoro (I>100 soli). Realizzazione di un sensore infrarosso basato su germanio epitassiale, in particolare cresciuto su substrati di silicio, eventualmente perdisposto con elettronica di front-end per la trattazione del segnale. Realizzazione di prototipi dimostrativi. Misura dell'efficienza di emissione spettrale in granati drogati con erbio come emettitori selettivi ad alta temperatura per generazione termofotovoltaica - Realizzazione di cristalli a mosaico di germanio o di GaAs con mosaicità di circa 25 secondi d'arco esattamente orientati per l'integrazione in una lente per raggi gamma per astronomia a raggi x (progetto Laue). - Realizzazione di cristalli curvi con range di diffrazione vicino a circa 25 secondi d'arco basati su GaAs. Studio dell'efficienza e delle geometrie per aumentare l'efficienza di dffrazione. (literal)
Stato dell'arte
  • La micro-cogenerazione di energia elettrica e termica è di importanza straegica per l'efficienza energetica. La generazione termo-fotovoltaica è uno dei metodi di rilevemte interesse. I prototipi realizzati raggiungono un'efficienza di conversione a tutt'ora inferiore al 3%. Ciò è dovuto principalmente alla bassa efficienza radiante finora ottenuta e alla non ottimizzazione di vari componenti del sistema quali celle fotovoltaiche adatte allo spettro di emissione termica ed emettitori o filtri selettivi. E' noto che i cristalli con contenenti di difetti strutturali (cristalli a mosaico) sono più efficienti dei cristalli perfetti nel focalizzare fasci di raggi x e neutroni non paralleli e monocromatici. Cristalli a mosaico di grafite, rame e germanio vengono attualmente utilizzati per focalizzare raggi x e neutroni ed in particolare con mosaicità tra un primo e 30 secondi d'arco possono essere utilizzati per realizzare una lente per raggi gamma. Cristalli con mosaicità e dimensione dei grani predefinita sono tutt'ora difficili da ottenere. Attualmente si stanno studiando cristalli curvi, per cui l'efficienza di diffrazione è massima, per applicazioni nella radiodiagnostica. (literal)
Tecniche di indagine
  • Per studiare e ottimizzare i materiali si prevede di utilizzare software di simulazione del dispositivo e di misurare i parametri fisici con tecnica EBIC (electron beam induced current). La presenza di difetti strutturali o elettricamente attivi sarà studiata mediante microscopia elettronica con tecnica EBIC. I livelli di drogaggio e la mobilità dei portatori sono misurate con effetto Hall. Per la comprensione dei meccanismi fisici alla base della conversione fotovoltaica è fondamentale lo studio dell'efficienza quantica spettrale, tecnica complessa messa a punto nel periodo precedente. Per lo studio delle proprietà di efficienza di diffrazone nei cristalli a mosaico o curvi si pensa di tilizzare sorgente di sincrotrone ad alta energia (fino a 100 keV) per correlare l'efficienza di diffrazione con la densità di dislocazioni presenti o la curvatura dei piani di diffrazione. (literal)
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