Energia Fotovoltaica Stato dell arte e prospettive

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1 Energia Fotovoltaica Stato dell arte e prospettive Convegno AEIT Sezione Sarda Aula magna dell Istituto di Architettura Stato dell arte e sviluppi futuri della tecnologia fotovoltaica Gianluca Timò 1

2 Sommario La fonte solare: potenzialità Richiami all effetto fotovoltaico Le tecnologie fotovoltaiche (FV) e la loro applicazione L esperienza di CESI RICERCA nella concentrazione solare FV Il confronto fra le varie tecnologie FV Le prospettive di sviluppo Conclusioni 2

3 La sorgente solare Il sole emette energia elettromagnetica per effetto dei processi di fusione dell idrogeno in elio. Massa del sole= 1.98 *10 30 kg Perdita di massa= 4.1* 10 9 Kg/sec Tempo di vita = 1.53 * anni 3

4 La sorgente solare Irraggiamento solare annuale può essere calcolato e misurato nelle sue componenti Greenwich Giugno Latitudine φ Declinazione δ Longitudine Settembre / Marzo Equatore Dicembre 4

5 La sorgente solare Distribuzione dell'insolazione su Cagliari sul piano orizzontale gen feb mar apr mag giu lug ago set ott nov dic Insolazione ( MJ/m^2/giorno) mesi Insolazione annuale= 1630 kwh/m 2 5

6 La sorgente solare Dati dall Atlante Europeo per superfici inclinate di 30 Distribuzione annuale per la Sardegna = 1825 kwh/m 2 giorno 6

7 I consumi di elettricità Dati statistici anno 2003 Fonte GRTN 7

8 Facciamo una previsione per Cagliari sulle potenzialità della fonte solare Densità di energia irradiata dal sole in un anno = Sup. area urbana di CA: 85 Km 2 = 8,5 *10 7 m 2 Energia producibile supponendo di utilizzare il 10% della superficie disponibile e un rendimento globale di conversione dell energia energia solare in energia elettrica dell 10%= 1,55*10 9 kwh Consumi settore domestico di CA (*) = GWh = 9,67*10 8 kwh Utilizzando il 10% della superficie dei tetti di Cagliari con adeguati sistemi di conversione dell energia energia solare si potrebbe coprire ampiamente il fabbisogno di energia domestica della città! (*) anno kwh/m 2 8

9 La conversione fotovoltaica Per la conversione dell energia energia solare in energia elettrica si possono utilizzare i materiali semiconduttori. Tavola periodica degli elementi Il più utilizzato è il silicio. Le celle ad alta efficienza si realizzano con i materiali che utilizzano gli elementi del gruppo III e V della tavola periodica 9

10 La conversione fotovoltaica La conversione diretta dell energia energia solare in energia elettrica, utilizza il fenomeno fisico dell interazione della radiazione luminosa con gli elettroni di valenza nei materiali semiconduttori. hν elettrone Ogni fotone dotato di energia sufficiente, sulla base della relazione E = h ν, dove h è la costante di Plank e ν è la frequenza d onda della radiazione, è in grado di liberare una coppia elettrone lacuna lacuna 10

11 La conversione fotovoltaica L energia necessaria per produrre la coppia di portatori di carica, elettrone-lacuna, lacuna, è in funzione del materiale semiconduttore considerato e si indica con Eg ( Energy gap) Banda di conduzione Materiale Eg (ev) λ(μm) Eg GaAs Si Banda di Valenza Ge E< Eg La radiazione solare con valore di energia inferiore ad Eg non viene assorbita 11

12 La conversione fotovoltaica Per poter utilizzare le cariche prodotte dalla radiazione luminosa (e-, h + ) occorre fare in modo che non si ricombinino fra loro. La separazione e-, e h + è possibile se si introduce nel materiale semiconduttore un campo elettrico E F=q*E e- h + 12

13 La conversione fotovoltaica E possibile creare un campo elettrico all interno del materiale semiconduttore introducendo al suo interno atomi di diversa natura (impurezze donatrici e acettrici) Ad esempio, nel silicio si possono introdurre atomi di fosforo (impurità pentavalenti) e di boro (impurità trivalenti) Materiale P Boro Silicio Silicio Boro Boro Silicio Distanza P Giunzione Boro Silicio Silicio Fosforo Silicio Silicio Densità di carica + - Materiale N Fosforo Silicio Silicio Fosforo Fosforo Silicio Regione di svuotamento Materiale di tipo N Materiale di tipo p 13

14 La conversione fotovoltaica Quando il fotone incide sul cristallo semiconduttore le coppie di cariche ( e -,h + ) vengono separate dal campo elettrico di giunzione. -> ddp Se ai capi del dispositivo poniamo dei contatti elettrici possiamo raccogliere I portatori e farli fluire In un circuito esterno Ioni positivi Ioni negativi E L effetto fotovoltaico consiste nell istaurasi ai capi del dispositivo di una tensione (ddp) per effetto dell illuminazione del materiale semiconduttore con radiazione di lunghezza d onda opportuna 14

15 La conversione fotovoltaica Fotoni Se si applica un carico a resistenza variabile ai capi della cella fotovoltaica si possono determinare i parametri caratteristici del dispositivo griglia e Isc 0.5 Caratteristica tensione- corrente Im 0.4 N + CARICO CURRENT (A) P 0.1 Vm VOLTAGE (V) Voc FF FF = Voc Vocx Isc/ Isc/ V m x I m I Fill factor η = V m x I m I / / P sole x sole Area Area Efficienza di conversione CESI RICERCA 11/04/

16 La conversione fotovoltaica Scelta del materiale ideale [W/m²] Regione del visibile DENSITA' SPETTRALE DI POTENZA W/m² (AM0) W/m² (AM1) RADIAZIONE VISIBILE DALL'OCCHIO UMANO GaAs Si Ge LUNGHEZZA D'ONDA 0,3 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 [µm] 16

17 La conversione fotovoltaica Scelta del materiale ideale Potenza = Corrente x Tensione Alta corrente ma bassa tensione L eccesso di energia è disperso in calore Alta tensione ma bassa corrente La luce con valore di energia <Eg non venie assorbita Per ottenere alta efficienza occorre assorbire ogni lunghezza d onda con un materiale che ha Eg= E ph 17

18 Le tecnologie fotovoltaiche Nel corso degli anni si sono sviluppati tre filoni di ricerca sulle celle fotovoltaiche per massimizzare i valori di efficienza di conversione e ridurre i costi di fabbricazione Celle solari al silicio mono e poli-cristallino Celle solari a film sottile Celle solari ad alto rendimento Basate sui composti III-V V della tavola periodica Tecnologia matura In evoluzione In evoluzione 18

19 Le tecnologie fotovoltaiche 19

20 Le tecnologie fotovoltaiche Celle al silicio mono e poly E una tecnologia affidabile e matura. I moduli hanno generalmente valore di efficienza compreso fra il 12 ed il 18% STC Questa tecnologia richiede l utilizzo di substrati spessi ( μm). Tra le tecnologie oggi in commercio offre i prodotti a prestazioni più elevate HIT Efficienza modulo SCT : Sanyo: 16.8 %, Sun Power 18% 20

21 Le tecnologie fotovoltaiche Le celle a film sottile Sono state sviluppate differenti tecnologie di celle Per ridurre i costi di produzione del dispositivo CdTe (Telloruro di cadmio) CIS (Copper Indium Diselenide) CIGS (Copper Indium galium Diselenide) Cu In Ga Se 2 a-si (silicio amorfo) Organiche Dye senstized 21

22 Le tecnologie fotovoltaiche celle al CdTe,, CIS, CIGS Il materialle è policristallino Il Cd Te ha un Eg diretto ( alto valore del coefficiente di assorbimento), quindi sono sufficienti per l assorbimento della luce degli strati sottili Il CdS che svolge il ruolo di strato finestra e realizza l eterogiunzione con il CdTe Si utilizzano substrati a basso costo: vetro/polimeri. Tecnica di produzione economica: crescita per evaporazione e ricristallizzaizone 22

23 Le tecnologie fotovoltaiche Le celle a film sottile CdTe, CIGS E stata recentemente annunciata la costruzione della prima fabbrica europea in Italia (capacità produttiva di 18 MW) per la produzione di moduli con efficienza > 11%!(*) (*) FV fotovoltaici 3/2006 Le celle tipiche hanno un valore di efficienza <10% 23

24 Le tecnologie fotovoltaiche Celle al silicio-a E= V/cm Il materiale non presenta una struttura cristallina ma disordinata I tempi di vita dei portatori minoritari sono molto bassi (t=( 1ns), occorre quindi realizzare una struttura di cella (PIN) con la presenza di un forte campo elettrico Il gap diretto favorisce l assorbimentol della luce in spessori limitati Il dispositivo subisce un degrado nelle prestazioni per effetto dell illuminazione (Stabler-Wronsky effect) 24

25 Le tecnologie fotovoltaiche Celle al silicio-a Efficienza di celle al silicio amorfo a tripla giunzione (a-si:h/a-sige/a-sige:h ) United Solor Ovonic Corporation 25

26 Le tecnologie fotovoltaiche Celle al silicio-a I moduli fotovoltaici al silicio amorfo sono adatti alle applicazioni in cui è elevata la temperatura operativa (η = 0.21 % per C contro -0.5 % per C del Si-c) o quando è importante la componente di luce diffusa o dove si presentano fenomeni di ombreggiamento ( utilizzo del diodo di by-pass su ogni cella componente il modulo). Vantaggi rispetto al silicio al silicio mono-poly: serve uno spessore 300 volte inferiore costo di manufcturing inferiore 26

27 Applicazioni degli impianti fotovoltaici Impianti isolati dalla rete Regolatore di carica Batteria di accumulatori 27

28 Applicazioni degli impianti fotovoltaici Impianti connessi alla rete Centrale fotovoltaica da 3.3 MW ENEL - Serre Persano (SA) 28

29 Applicazioni degli impianti fotovoltaici Impianti connessi alla rete Impianti FV per arredo urbano : PENSILINE 29

30 Applicazioni degli impianti fotovoltaici Impianti connessi alla rete Impianti connessi alla rete : FRANGISOLE 30

31 Applicazioni degli impianti fotovoltaici Impianti connessi dalla rete 31

32 Applicazioni degli impianti fotovoltaici Impianti connessi alla rete Costruzione di un tetto PV integrato Posa travi portanti e perlinato 32

33 Applicazioni degli impianti fotovoltaici Impianti connessi alla rete Costruzione di un tetto PV integrato Posa strati isolanti Pannelli isolanti Tessuto non tessuto 33

34 Applicazioni degli impianti fotovoltaici Impianti connessi alla rete Costruzione di un tetto PV integrato Posa assito Ricopertura in assito 34

35 Applicazioni degli impianti fotovoltaici Impianti connessi alla rete Costruzione del tetto PV integrato Prospetto costruttivo assito CESI RICERCA 16/03/2006 RICERCA 15/06/

36 Applicazioni degli impianti fotovoltaici Impianti connessi alla rete Costruzione del tetto PV integrato 36

37 Applicazioni degli impianti fotovoltaici Impianti connessi alla rete Costruzione del tetto PV integrato Peso totale della struttura fotovoltaica 25 Kg/m 2 37

38 Applicazioni degli impianti fotovoltaici Impianti connessi alla rete Schema di collegamento semplificato dell impianto PV Campo fotovoltaico Inverter Misuratore di energia prodotta Misuratore di energia immessa in rete Misuratore di energia prelevata dalla rete Utenza 38

39 Applicazioni degli impianti fotovoltaici Impianti connessi alla rete Calcolo teorico della producibilità dell impianto PV E = I x S x Ep x Ei Dove: E = energia producibile con l impianto l PV [Kwh[ Kwh] I = irraggiamento teorico [kwh[ kwh/m2] S = superficie totale dei pannelli PV [ m2] Ep = Ei = efficienza di conversione dei pannelli PV efficienza media annua dell impianto PV ( tiene conto delle perdite per riflessione, di mismatch fra i pannelli, sui circuiti, sull inverter (Efficienza del BOS) Se consideriamo pannelli al Si-poly con Ep= 13,9% e Ei= 80% la resa complessiva dell impianto è 10,4%, la producibilità di un impianto PV, di 20 m 2, a Cagliari è di 3650 kwh CESI RICERCA 16/03/

40 Le tecnologie fotovoltaiche Le celle organiche e Dye sentized I fotoni creano eccitoni ( coppie e-h legate) che diffondono alle interfacce fra materiali diversi dove i portatori di carica vengono separati Le lunghezze di diffusione degli eccitoni sono piuttosto brevi : circa 10 nm e quindi le celle organiche hanno spessori dello stesso ordine di grandezza I valori di efficienza sono modesti ( qualche punto percentuale) anche se sono migliorati fortemente nel tempo Possono essere usati substrati flessibili I costi di produzione sono molto bassi 40

41 Le tecnologie fotovoltaiche Una applicazione particolare delle Celle a film sottili E possibile arricchire di nuove funzionalità materiali realizzati per altre applicazioni 41

42 Le tecnologie fotovoltaiche Le celle basate sui composti III-V I materiali semiconduttori basati sui composti III-V vengono realizzati mediante deposizione epitassiale Passo reticolare "Epitassiale è un termine greco che significa ordinato sopra 42

43 Le tecnologie fotovoltaiche Le celle basate sui composti III-V La tecnologia di crescita epitassiale MOCVD (*) permette di realizzare durante il medesimo ciclo di deposizione materiali semiconduttori diversi, con proprietà ottiche ed elettriche controllate, combinando opportunamente le sorgenti gassose GaAs AlGaAs AlAs InGaP AlInGaAs AlInGaP MOCVD= Metal organic chemical vapour deposition InP InGaAs 43

44 Le tecnologie fotovoltaiche Le celle basate sui composti III-V Griglia Le celle a MULTIGIUNZIONE AR N + GaAs AR Cella GaInP Diodo tunnel Cella InGaAs Diodo tunnel Cella Ge Window: N + -AlInP Emitter: N + -GaInP Base: P -GaInP BSF: P + -AlInGaP TD: P ++ -AlGaAs TD: N ++ -InGaP Window: N + AlGaAs Emitter: N + -InGaAs Base: P-InGaAs Buffer: P + -InGaAs TD: P ++ -AlGaAs TD: N ++ -GaAs Window: N + -AlInP Emitter: N -InGaP Substrate: P -Ge Contatto QExt, QInt, Refl, abs.units QExt QInt InGaP QExt InGaAs Reflectance Wavelength, nm L utilizzo di materiali con Eg diverso Permette di ottimizzare la raccolta della Radiazione solare QExt QInt Ge 44

45 Le applicazione spaziali delle celle basate sui composti III-V Poiché le celle solari basate sui composti III-V rispetto alle celle solari al Silicio sono: Si 16.5% più efficienti resistono meglio alle radiazioni degradano meno in funzione della T ma hanno un costo più elevato GaAs 27% hanno trovato una prima immediata applicazione nello spazio perché permettono di realizzare pannelli che: durano di più maggiore rapporto W/kg e W/m 2 riducono i costi di lancio e controllo d assetto (massa 30%-50% minore) 45

46 Le applicazione spaziali delle celle basate sui composti III-V Dispiegamento in orbita dei pannelli solari sulla piattaforma Eureca Sulla piattaforma Eureca hanno volato le prime celle GaAs/Ge in Europa fornite da CESI 46

47 Le applicazione spaziali delle celle basate sui composti III-V I costi elevati delle celle basate sui composti III-V hanno in un primo tempo scoraggiato l utilizzo di tali dispositivi per applicazioni terrestri 8 cm 2 : 70/80 17 cm 2 : 110/ cm 2 : 220/240-> = 8 /cm W 0.5 W 1 W 47

48 Le tecnologie fotovoltaiche Utilizzo della concentrazione solare delle celle basate sui composti III-V L ottenimento di alti valori di efficienza di conversione ( >29%) nella tecnologia sviluppata per il settore spaziale ha offerto elementi i innovativi per il decollo del fotovoltaico terrestre in concentrazione Nei sistemi a concentrazione si sostituisce l area l di semiconduttore con ottiche che concentrano la radiazione solare su celle di ridotte dimensioni. L area di celle a concentrazione al GaAs (in rosso) eroga la stessa potenza dell intero campo di calcio se coperto da pannelli piani al silicio ( rettangolo bianco) 48

49 Le tecnologie fotovoltaiche Utilizzo della concentrazione solare delle celle basate sui composti III-V Le motivazioni che hanno portato alla sviluppo delle celle solari in concentrazione basate sui composti III-V sono le seguenti: Il materiale costoso è sostituito con un ottica di concentrazione a basso costo Si risponde in modo efficace al problema della abbondanza in natura dei materiali richiesti Le celle solari in concentrazione sono più efficienti 49

50 Sistemi a concentrazione sviluppati da CESI nell ambito delle attività di Ricerca di Sistema Elettrico Celle per lo spazio: una cella da 30 cm 2 costa 240 (8 /cm 2 ) con il 75% di utilizzo del wafer epitassiale. Celle per sistemi in concentrazione: l utilizzo l del wafer può arrivare al 90%, la proiezione sul prezzo per grandi volumi è di 6.7 /cm 2. Cell Cell manufacturing manufacturing 27% 27% Ge Ge 21% 21% Cell Cell manufacturing manufacturing 32% 32% Si:Ge Si:Ge 7% 7% Epitaxy Epitaxy 52% 52% Epitaxy Epitaxy 61% 61% Strutture Si:Ge: il costo minore del wafer di Si potrebbe ridurre ulteriormente il prezzo della cella solare. 50

51 Sistemi a concentrazione sviluppati da CESI nell ambito delle attività di Ricerca di Sistema Elettrico Polarità P su N GaAs cell InGaP top cell Tunnel diode GaAs cell MOCVD Morfologia del GaAs su wafers Si:Ge non trattati Si:Ge Si:Ge LEPECVD Si Si Morfologia del GaAs su wafers Si:Ge con trattamento epi-ready Linee di difetti intorno al bus bar 51

52 Sistemi a concentrazione sviluppati da CESI nell ambito delle attività di Ricerca di Sistema Elettrico Sviluppo di moduli point focus Sviluppo di dense arrays Vantaggi: raffreddamento passivo Vantaggi: ottenimento di maggiori potenze 52

53 Sistemi a concentrazione sviluppati da CESI nell ambito delle attività di Ricerca di Sistema Elettrico Substrato vetroso della lente Profilo Fresnel in gomma siliconica f Cella solare Pozzo termico in rame Le celle hanno una superficie di qualche mm 2 Con le celle prodotte da un wafer di diametro di 100 mm aventi η=30%, si genera a 500 x, la stessa potenza generata da 10 m 2 di silicio 53

54 Sistemi a concentrazione sviluppati da CESI nell ambito delle attività di Ricerca di Sistema Elettrico Pannelli a concentrazione Inseguitore solare 54

55 Sistemi a concentrazione sviluppati da CESI nell ambito delle attività di Ricerca di Sistema Elettrico Dense array concentrato Con specchio paraboloide 55

56 Sistemi a concentrazione sviluppati da CESI nell ambito delle attività di Ricerca di Sistema Elettrico Caratterizzazione con lente di Fresnel di singole celle 1 cm 2 56

57 Sistemi a concentrazione sviluppati da CESI nell ambito delle attività di Ricerca di Sistema Elettrico Isc Voc Pm FF Eff. P sole Soli (ma) (V) (W) (%) (mw/cm2) Modulo 4 celle Modulo 10 celle Soli Corrente (ma) Efficienza 30% Tensione (V) 57

58 Sintesi dei risultati raggiunti dalle diverse tecnologie fotovolaiche 39.2% (2006) 58

59 Confronto fra la tecnologia del Fv a concentrazione e quella dei pannelli piani e fissi 59

60 Confronto fra la tecnologia del Fv a concentrazione e quella dei pannelli piani e fissi 60

61 Confronto fra la tecnologia del Fv a concentrazione e quella dei pannelli piani e fissi (oggi) Source: Fraunhofer Institute for Solar Energy System ISE ( efficienza del sistema a concentrazione = 22% ) 61

62 Confronto dei sistemi FV a concentrazione con i sistemi piani e fissi Tipologia di sistema Vantaggi Svantaggi Sistemi fotovoltaici a concentrazione Sistemi fotovoltaici tradizionali con pannelli piani e fissi Possibilità di ridurre fortemente l area attiva del dispositivo fotovoltaico È una risposta al problema del reperimento delle materie prime Raccolta della luce sempre ottimale (utilizzo dell inseguitore solare) Ottenimento di valori di efficienza più elevati in valore assoluto Sviluppo industriale a basso capitale investito (*) Possibilità di raccogliere la radiazione solare globale Tecnologia matura Facile applicazione sui tetti degli edifici Assenza di parti in movimento Necessità minima di manutenzione Si può raccogliere solo la componente diretta della luce solare Tecnologia ancora in sviluppo Utilizzo problematico della tecnologia sui tetti delle abitazioni Presenza di parti in movimento ( utilizzo dell inseguitore solare) Necessità di maggior manutenzione Richiesta di elevati superfici attive Si pone il problema del reperimento delle materie prime La raccolta della luce non avviene sempre in modo ottimale (i pannelli sono fissi) Lo sviluppo industriale richiede l investimento di un capitale maggiore (*) Il costo stimato per creare una fabbrica in grado di produrre 100 MW/anno di sistemi PV con la tecnologia del Si è di circa M$, mentre peri sistemi a concentrazione è di circa M$ 62

63 Le tecnologie fotovoltaiche: sviluppi futuri: riduzione del consumo delle materie prime 63

64 Le tecnologie fotovoltaiche: sviluppi futuri: Celle di terza generazione: QD cell Variazione del gap in funzione della dimensione del dot 5 nm 10 nm 12nm ev ev ev 64

65 Le tecnologie fotovoltaiche: sviluppi futuri: Solare a concentrazione 65

66 Le tecnologie fotovoltaiche: sviluppi futuri: Solare a concentrazione Sistema a concentrazione dicroico dell Universit Università di Ferrara Celle al Si Celle al InGaP Il sistema sfrutta lo splitting della radiazione solare 66

67 Le tecnologie fotovoltaiche: sviluppi futuri: Solare a concentrazione Co-generazione Produzione di H 2 in-situ 67

68 Le tecnologie fotovoltaiche: sviluppi futuri 68

69 Le tecnologie fotovoltaiche: sviluppi futuri 69

70 Facciamo una previsione ambientale per Cagliari utilizzando la tecnologia del silicio poli- cristallino Se potessimo produrre kwh ogni anno con impianti fotovoltaici,, quanta anidride carbonica sarebbe evitata nell atmosfera? 0.53 [kg/kwh kwh]*1.55*10 9 [kwh]= [kg] Ovvero: circa tonnellate ogni anno! 70

71 Conclusioni La conversione fotovoltaica ha elevate potenzialità per arrivare a diventare competitiva con gli attuali sistemi di produzione dell energia Le varie tecnologie fotovoltaiche sviluppate permettono di rispondere in modo sostenibile a bisogni energetici di varia natura e si prevede un loro forte sviluppo nel prossimo decennio. Dal livello locale a quello nazionale occorre impegnarsi nello sviluppare tutte le sinergie possibili per conseguire risultati di rilievo in questo settore e poter ridurre sostanzialmente le emissioni di CO 2 in atmosfera e diminuire il ricorso alle energie basate sui combustibili fossili 71